節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對目前農(nóng)業(yè)水資源緊缺且農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，提出了一種節(jié)水灌溉自動控制方案。該方案以微控制器為核心器件，采用無線通信的方式，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)時采集參數(shù)，并以此為依據(jù)實(shí)時調(diào)整閥門開合程度，從而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。該設(shè)計具備較好的實(shí)用性，有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。

關(guān)鍵詞：無線通信；節(jié)水灌溉；實(shí)時；微控制器

中圖分類號：S24；S275 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）19-4795-05

中國農(nóng)業(yè)發(fā)展目前面臨著兩大主要問題：一方面國民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)建設(shè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致對水資源的需求量越來越大，但是，中國目前的水資源嚴(yán)重不足；另一方面中國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，但有效利用率僅在45%左右，而歐美發(fā)達(dá)國家一般在70%～80%，這導(dǎo)致中國農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重[1]。

因此，在水資源嚴(yán)重不足的情況下，如何有效解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題顯得迫在眉睫。方法大致有兩種：開發(fā)新的水資源，但是，此方法投資大、見效慢，受地理環(huán)境影響異常明顯；另一種方法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律而進(jìn)行的適時灌溉，利用盡可能少的水獲得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式[2]。此方法投資相對較小，既有可能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動化，又可能極大提高水資源的利用率。

基于此，提出一種節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計了一個基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，具有實(shí)時顯示檢測數(shù)據(jù)和實(shí)時上傳檢測數(shù)據(jù)的功能，并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長的環(huán)境參數(shù)及所需水量來控制給水的時間和流量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

目前，國外普遍采用大型分布式微機(jī)測控技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動控制。該技術(shù)方案擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式，為多種技術(shù)的融合，根據(jù)采集到的土壤參數(shù)、溫濕度等環(huán)境參數(shù)來決定灌溉量與灌溉時間。因此，系統(tǒng)分中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)兩部分進(jìn)行設(shè)計，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中N為遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的個數(shù)[3]。由圖1可見，中央控制系統(tǒng)（主站）主要由微控制器與主PC機(jī)構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（子站）主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選定與測量、信息數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作等功能。系統(tǒng)選擇無線通信方式實(shí)現(xiàn)主站與子站之間的信息傳輸，其系統(tǒng)框圖如圖2[3]。

系統(tǒng)主要分為信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)無線處理模塊、控制模塊、軟件模塊這5大功能模塊。因此，選擇土壤水分、空氣的濕度、空氣的溫度3個參數(shù)作為灌溉的因素，測量元件就是測量這3個參數(shù)。具體器件選擇如下：①空氣溫濕度測量元件選用CHT-WV02溫濕度變送器；②A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0808；③電磁閥選用分布式電磁閥；④無線通信模塊選用2FSK解調(diào)方式的 PTR8000；⑤核心控制器選用常見的AT89系列單片機(jī)；⑥土壤水分測量元件采用TDR3型水分傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主站硬件設(shè)計

如前所述，主站的功能主要體現(xiàn)如下：通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)與子站之間的信息傳輸，即遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過相應(yīng)器件采集土壤水分、溫度、濕度等參數(shù)后，經(jīng)過信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過無線方式傳輸給主站，主站以此為依據(jù)控制閥門水量的大小，也就是確定開關(guān)開合的程度。其間，主站中微控制器與主PC機(jī)之間采用有線通信方式。

2.1.1 微控制器與PC機(jī)的接口電路 微控制器與PC機(jī)之間采用常用的RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是，由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)與單片機(jī)TTL邏輯的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容，因此，必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)二者之間的電平匹配。在本設(shè)計中，選用最常用的MAX232芯片來實(shí)現(xiàn)電平匹配，其接口電路圖如圖3所示[4]。

如圖3所示，TXD與MAX232的T2in相連，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后，T2out輸出的信號進(jìn)入RXD。同理，TXD與MAX232的R2in相連，經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)換后，R2out輸出的信號進(jìn)入RXD。如此，便可實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換，使單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信鏈路接口完成。

2.1.2 無線射頻收發(fā)接口電路 由于本單片機(jī)不具備SPI接口，所以要利用軟件模擬SPI接口來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PTR8000之間的通信[5]。由PTR8000構(gòu)成的無線收發(fā)電路如圖4所示。

在圖4中，PTR8000的3個狀態(tài)輸出信號DR、AM、CD分別與單片機(jī)的P3.2、P3.4和P3.5管腳相連，以此實(shí)現(xiàn)無線模塊與單片機(jī)的通信控制。其中，AMS1117是低壓差三端電壓調(diào)節(jié)器，旨在為PTR8000提供合適的電壓。

2.2 子站硬件設(shè)計

子站主要完成對傳感器信號的采集及處理并控制電磁閥動作，達(dá)到自動灌溉的目的，由控制單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、土壤水分傳感器、溫濕度變送器和電磁閥組成。

2.2.1 土壤水分檢測電路 設(shè)計采用運(yùn)算放大器UA741來實(shí)現(xiàn)減法電路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。電路如圖5所示。注意在采集數(shù)據(jù)之前，對于運(yùn)算放大器UA741一定要調(diào)零。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換接口電路 ADC0808沒有內(nèi)部時鐘，所以時鐘信號端CLK通過兩個D鎖存器的分頻與單片機(jī)的時鐘相連。如圖6所示，由于ADC0808的轉(zhuǎn)換速度所限制，系統(tǒng)使用2 MHz的晶振，通過兩個D鎖存器的分頻后，ADC0808 CLK端的時鐘頻率為2 MHz/4=500 kHz。

2.2.3 顯示接口電路 顯示接口電路如圖7所示。其中，四個晶體管的作用是使得共陽極的LED正常工作，在LED每個光二極管前加了一個限流電阻，是避免LED發(fā)光二極管因電流太大而燒壞或壽命減少。

2.2.4 輔助控制單元設(shè)計 ①電磁閥控制單元。由于單片機(jī)的輸出電流比較小，不能驅(qū)動電磁閥工作，所以需接一晶體管進(jìn)行電流放大從而驅(qū)動電磁閥工作，在繼電器兩端反并一個二極管的作用是防止繼電器因過大的電流燒壞或壽命減少。電磁閥控制電路如圖8a所示。②報警電路設(shè)計。大部分都是使用蜂鳴器來提示或報警，具體如圖8b所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主站軟件設(shè)計

設(shè)計中單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)土壤水分、溫濕度等參數(shù)的實(shí)時接收、發(fā)射以及數(shù)據(jù)的串口發(fā)送，因此，功能相對較少，在實(shí)際設(shè)計中只需要合理地初始化外圍芯片以及特殊功能寄存器，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，其主程序流程圖如圖9所示。此外，在系統(tǒng)設(shè)計中，PTR8000為無線收發(fā)模塊，功能是接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，其流程圖如圖10a與10b所示。

3.2 系統(tǒng)子站軟件設(shè)計

3.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 數(shù)據(jù)采集主要是指經(jīng)傳感器采集過來的電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)，再通過單片機(jī)的軟件處理為此電壓信號對應(yīng)的濕度、溫度和土壤水分信號，其流程圖如圖11所示[6]。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計 數(shù)據(jù)處理主要是將從A/D采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的軟件算法處理后，得到與實(shí)際情況最相符的數(shù)據(jù)，即誤差最小，其程序流程圖如圖12所示[6]。

3.2.3 數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計 顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過譯碼器74LS138和驅(qū)動74LS47將數(shù)據(jù)送至LED顯示。數(shù)據(jù)顯示子程序主要完成將待顯示的數(shù)據(jù)移出單片機(jī)，送至譯碼器74LS138和驅(qū)動器74LS47，其程序流圖如圖13[7]。

此外，電磁閥程序設(shè)計流程圖如圖14所示。

4 小結(jié)

設(shè)計通過遠(yuǎn)程控制實(shí)施節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時顯示檢測數(shù)據(jù)和實(shí)時上傳檢測數(shù)據(jù)的功能，并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長的環(huán)境參數(shù)及所需水量來控制給水的時間和流量。通過無線遙控節(jié)水灌溉技術(shù)可節(jié)省人力物力，解決當(dāng)前水資源短缺卻又浪費(fèi)的緊張局勢。主站和子站之間采用無線傳輸，克服了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)牡赜蛳拗疲瑢?shí)現(xiàn)了站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送。此外，通過溫濕度和水分傳感器采集作物土壤及周圍環(huán)境的信息，可較全面地體現(xiàn)農(nóng)作物的需水狀況，且節(jié)約成本，有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。

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