分布式智能控制系統在蔬菜大棚灌溉中的應用

薛良儒　魏峰

摘要 該系統主要采用Atmel 公司的ATmega16單片機作為微控器，利用溫度傳感器、濕度傳感器、墑情檢測傳感器對大棚內溫度、濕度及土壤墑情狀況進行檢測，然后將數據上傳到服務器上進行分析，當需要進行灌溉時，服務器發送控制命令控制繼電器的開關與閉合，完成灌溉任務。該系統采用串口轉以太網通信方式，可以在任何有網絡的條件下進行灌溉。

關鍵詞 智能灌溉；ATmega16單片機；串口轉以太網

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-353-03

Abstract This system mainly uses Atmel companys ATmega16 chip as the microcontroller. The sensors of temperature and humidity and moisture sensors are used to detect the temperature and humidity in greenhouse and soil moisture. Then， the terminal equipment send the data to the server and analyze the data. When the greenhouse is needed to irrigated， the server sends a control command to control relay to irrigate. The system uses the communication mode the serial changed to Ethernet. It can work in the places with network.

Key words Intelligent irrigation； ATmega16 single chip microcomputer； Serial to thernet

我國設施農業起步較晚，但發展較快。目前，世界塑料大棚和溫室面積約為36.576萬hm2，而我國面積最大，我國塑料大棚和溫室的建設面積已經從20世紀90年代初的約40 hm2發展到現在的近15.67萬hm2，占全世界的42.8%。設施農業同普通農業相比，其產業化程度高，效益好，接受新技術的能力強；新灌溉控制器的應用使得水資源的利用更加充分，提高了生產效率，節省了勞動力，加上科學合理的灌溉策略，對作物增產增收起到了一定作用。

隨著現代化農業的發展，新沂市設施農業現代化水平得到了逐步提高，當前溫室大棚是最為突出的設施農業代表。因此提高溫室大棚的現代化水平是農業設施建設的重要任務。灌溉是設施農業的基礎，所以結合大棚的種植需求，配套相應的高效灌溉措施，以新沂市瓦窯鎮大棚節水灌溉示范基地為試點，研發配套節水、智能灌溉控制系統，以達到節水、節能、增效、省工目的。

1 系統總體方案設計

1.1 試驗點概況

新沂市瓦窯鎮設施農業試點主要是大棚，種植作物為葡萄，劃分為4個棚區，共計10.53 hm2；為減少大棚內部的空氣濕度，灌溉設施主要為管道滴管，既能滿足葡萄的生長，有利于自動化控制，又能減少因濕度過高造成的爛果。

供應水源為農用機井，根據棚區的劃分，主管道為1條，支管道為4條，設置4個電磁閥門，作為主管道向支管道供水的公職閥門，灌溉方式為2組輪灌。

1.2 自動化控制方案布局

分布式智能灌溉控制系統主要采用最基本的星形網絡使服務器與終端設備進行通信[1]。如圖1所示，每個大棚中的終端控制柜通過光纖連接到交換機端口，交換機然后與服務器直接進行相連，以達到上位機對終端設備的控制及對終端設備的信息讀取。

控制柜的設計是整個系統的關鍵，控制柜不僅接收服務器發送的命令控制電磁閥的通斷，而且還將控制柜中溫度傳感器、濕度傳感器、電磁流量計和墑情檢測傳感器所測數據傳送到服務器上。控制柜主要包括系統供電電路、單片機數據處理電路數據采集電路、控制驅動電路、人機交互電路和數據通信電路6個部分組成[2]。系統供電電路為整個系統供電，使系統進行工作；然后，單片機將所采集的大棚內溫度與濕度信號、墑情信號和流量計流量經過處理后，通過數據通信電路傳輸到服務器上；當上位機向終端設備發送命令時，單片機通過數據通信電路讀取到相應命令后，通過控制驅動電路控制電磁閥的開關與閉合，從而實現灌溉功能；最后，當工人進行現場操作時，可以通過人機交互電路選擇就地功能，斷開遠程操作功能。

2 系統硬件設計

2.1 控制器模塊電路

分布式智能灌溉系統的主控芯片選用的是Atmel公司的ATmega16單片機[3]（圖2）。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與運算邏輯單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個時鐘周期內同時訪問2個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數據吞吐率。

2.2 電源電路

電源電路是將220 V交流電轉換成穩定的、符合系統要求的直流電電路。電源電路如圖3所示。該電路主要由3個部分組成，即變壓器、整流濾波電路和穩壓電路。變壓器主要是線圈式并帶有絕緣隔離的功率變壓器，這種變壓器安全可靠，輸出電壓穩定。整流濾波電路采用的是橋式整流電路，橋式整流電路利用二極管的單向導電性，將交流電轉換成直流電，然后通過容量不同的電容元件濾除電流中不符合規定的高低頻交流電。穩壓電路采用的是1款三端穩壓集成電路LM7805，僅需極少的外圍元件就可使用，并且它的內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便。

2.3 驅動電路

該系統對電磁閥和電磁流量計的控制是采用繼電器控制方式。驅動電路如圖4所示。繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電簧片等組成，當在線圈兩端加上一定的電壓時，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點吸合，使電磁閥和流量計工作。線圈斷電，電磁力消失，停止工作。

由于繼電器的驅動電流一般需要20～40 mA，并且也存在一定的線圈電阻，單片機的I/O口不具有那么大的驅動能力，所以需要增加繼電器驅動電路。該系統采用的是ULN2003高壓大電流達林頓管，它具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強的特點，通過單片機I/O口的控制可以最多得到7路大功率輸出。

2.4 傳感器選型 該系統中所使用的傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、墑情監測傳感器。溫度與濕度傳感器采用的是DHT11數字溫度與濕度傳感器，它采用專用的數字模塊采集技術及溫度與濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的穩定性。傳感器主要包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件。二氧化碳傳感器采用的是COZIRP超低功耗探頭，它是紅外二氧化碳傳感器，COZIR功耗低，通過非色散紅外吸收方式進行二氧化碳濃度的測量，測量精度高。墑情監測傳感器主要包括土壤水分傳感器和土壤溫度傳感器2個部分，具有測量精度高、相應速度快的特點，且功耗僅為0.8 mA，可以直接埋入土壤中。

2.5 通信電路

無線通信模塊主要采用濟南有人物聯網技術有限公司生產的多功能串口轉以太網轉換器。它用來將 TCP 網絡數據包或 UDP 數據包與RS232接口數據實現透明傳輸的設備，其功耗低，搭載 ARM 處理器[4]，速度快，穩定性高，通信電路見圖5。

這是一款多功能以太網串口數據轉換模塊，它內部集成了 TCP/IP 協議棧， 用戶利用它可以輕松完成嵌入式設備的網絡功能， 節省人力、物力及開發時間，使產品更快地投入市場， 增強其競爭力。模塊集成 10/100M 自適應以太網接口，串口通信最高波特率高達 1 024 kbps，具有 TCP Server、TCPClient、UDP、Httpd Client、TCPAuto、WEB to Serial 等工作模式[5]，可通過網頁或軟件輕松配置。

3 系統軟件設計

分布式智能灌溉控制系統的軟件設計首先應能夠通過上位機軟件發送數據幀和命令幀消息，并按照指定的通信協議解析命令幀和狀態幀，單片機按照相關命令控制電磁閥的打開與閉合，同時將電磁閥的狀態傳送到服務器上。同時，單片機將溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器和墑情檢測傳感器所采集的數據，通過串口轉以太網模塊傳送到以太網上，服務器根據相關終端ID對每個終端的傳感器傳送的數據包進行解析，并且在服務器上進行實時顯示。

整個智能灌溉系統的軟件設計思路主要采用模塊化設計思路，將整個系統分為主程序模塊、溫度與濕度傳感器模塊、墑情檢測傳感器模塊、二氧化碳模塊、繼電器模塊、串口轉以太網模塊。服務器控制終端設備工作流程如圖6所示。

當設備上電時，首先是對整個系統硬件進行初始化，當上位機向終端設備發送命令時，單片機判斷是否進入中斷接收狀態，此時如果進入數據接收狀態，則計算所接收到的數據楨的長度，然后對數據幀長度及校驗碼與預先設計的進行比對，若比對成功則說明接收數據正確，比對失敗則丟棄數據包，重新進行數據包接收。終端設備數據上載流程如圖7所示。

首先終端設備進行上電，然后分別讀取當前機柜工作模式、當前機柜工作狀態、電磁閥工作狀態以及傳感器數據，將這些數據進行打包，然后在數據包上加上幀頭、幀尾和校驗幀，通過發送端口發送到以太網上，上位機在以太網上讀取到數據，然后對數據幀進行校驗，校驗正確在上位機上進行狀態顯示。

4 結語

該系統在新沂市瓦窯葡萄大棚的灌溉控制中得到了應用，1年來運行良好，配套管帶滴管可以大大節約大棚的用水量，還可以通過溫度傳感器、濕度傳感器對大棚內溫度與濕度進行檢測及墑情檢測傳感器對土壤墑情進行檢測，實現了對大棚灌溉的遠程控制。該系統是交互式控制系統，現場灌溉控制操作與遠程電磁閥控制操作灌溉相互結合、相互補充，且上位機能夠實時監視大棚內溫度、濕度、土壤墑情狀況及電磁閥工作模式和工作狀態，可及時根據現場狀況進行遠程控制。

參考文獻

[1] 劉俊巖，張海輝.基于ZigBee的溫室自動灌溉系統設計與實現[J].農機化研究，2012（1）：111-114.

[2] 霍戰鵬，魏鄭英.手機短信遠程控制灌溉系統[J].西安交通大學學報，2012（10）：26-41.

[3] 鞠永勝，李興凱，包君.基于單片機的蔬菜大棚自動灌溉系統研究設計[J].農機化研究，2012（10）：187-190.

[4] 張觀山，束懷瑞，高東升，等.基于ZigBee和GPRS的遠程過遠智能灌溉系統的設計與實現[J].山東農業大學學報：自然科學版，2012，43（3）：377-380.

[5] 李曉帆，尹勝.多點采集無線傳輸的智能灌溉系統的設計[J].懷化學院學報，2013，32（11）：44-49.