基于單片機的花卉物流實時灌溉系統設計

（東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

花卉物流是以花卉運輸為主體的物流活動，根據用戶的實際要求，將花卉從所供應的地點經過一系列的措施流動到接收地點的過程[1]。隨著我國花卉產業的快速發展，花卉物流業已經與傳統物流業逐漸分離成為一個獨立的物流行業。隨著電子商務、物聯網技術的日益完善與成熟，花卉物流產業蒸蒸日上[2-3]。

然而花卉物流發展并不順利，如今花卉物流依然是制約花卉產業發展的重要因素。物流運輸過程中對花卉土壤水分含量的監測管理，進行實時灌溉，從而滿足長途物流運輸過程中花卉所需土壤濕度變得愈發重要。因此如何使花卉運輸狀態監測與管理方式變得簡單可靠，成為花卉物流產業管理者面臨的一個嚴峻挑戰[4-12]。

當務之急是開發出一套更完善的花卉物流保障系統，對花卉物流運輸過程中土壤濕度狀態進行監測，并為花卉進行實時灌溉提供便利條件，從而降低花卉在物流運輸過程中的損耗[13]。為此本文應用具有數據運算與處理能力的STC89C52RC 單片機作為控制核心，開發設計一款新型花卉物流實時灌溉系統，對物流運輸過程中的花卉土壤進行濕度監測，從而按照預設適宜濕度對花卉進行實時灌溉，最終能夠實現減少物流運輸過程中花卉損耗、提高花卉運輸成活率、降低運輸成本的目的。

1 系統功能簡介

花卉物流實時灌溉系統是利用傳感器采集數據，再用單片機控制的智能灌溉系統，包括土壤濕度采集、控制系統和顯示模塊，本系統實現了遠距離運輸過程中花卉的自動灌溉，提高了花卉的成活率。傳感器檢測到的濕度參數傳到單片機芯片上，通過軟件把參數值顯示到顯示屏上。通過單片機把傳感器收集的土壤濕度參數和設定的值作比較，判斷是否超過設定值，以此判斷是否需要澆水，如果顯示需要澆水，控制系統驅動水箱閥門澆水，如果不需要，則跳過驅動程序，進行循環采集、傳輸和比較，直到需要澆水。顯示器顯示的是當前土壤濕度值。

本系統主要由新型花卉實時灌溉裝置以及軟件設計構成。新型花卉實時灌溉裝置對運輸花卉的土壤濕度信息進行監測采集和顯示，同時根據預先設置的適宜濕度調整水箱閥門對運輸花卉進行實時灌溉，從而達到適宜運輸狀態。軟件設計主要實現系統初始化、子模塊初始化、濕度讀取及顯示，同時能夠實現按鍵掃描功能，濕度處理判斷功能和水箱閥門控制功能等。

2 硬件設計

新型花卉實時灌溉裝置主要由控制核心STC89C52RC 單片機、土壤濕度傳感器ofc-28、模數轉換模塊A/D 轉換器以及一個3 位LED 顯示模塊，3個獨立按鍵作為輸入模塊、水箱以及供電模塊所組成，其裝置組成如圖1所示。

圖1 新型花卉實時灌溉裝置組成

2.1 土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度傳感器ofc-28由不銹鋼探針和防水探頭構成，可長期埋設于土壤和堤壩內使用，對表層和深層土壤進行墑情的定點監測和在線測量。與數據采集器配合使用，可作為水分定點監測或移動測量的工具對土壤容積含水量進行測量，主要用于土壤墑情檢測以及農業灌溉和林業防護。濕度傳感器基片上覆蓋了一層用感濕材料制成的膜，當盆栽土壤中的水分子吸附在感濕膜上時，感應原件的電阻率和電阻值都會發生相應變化，傳感器通過線路元件電阻值的差異來反映土壤不同濕度值[14]。濕度傳感器輸出的信號與A/D處理器相連，能夠獲得更加精確的數值。當濕度傳感器檢測到濕度發生變化時，其內部對濕度敏感電容的大小也會隨之變化，其值與環境的濕度成正比。相應的值可以直觀地指示其濕度，并允許收集土壤濕度數據，為后續工作提供數據支持。濕度檢測電路原理圖如圖2所示。

圖2 濕度檢測電路原理圖

2.2 A/D處理器模塊

單片機能夠直接識別和處理的是數字信號，而傳感器輸出的是模擬信號，為了讓信號能夠被單片機處理，需要增加A/D轉換器。A/D處理器連接單片機，轉換單片機輸出的濕度信號為電信號，并生成數值。A/D 模數轉換器是將輸入電壓信號轉換為輸出數字信號的元件。濕度傳感器輸出的就是電壓信號，A/D 轉換器將其轉換為可供識別的數字信號，選擇植物生長的最小土壤濕度作為轉換標準，轉換器輸出的數值量則表示輸入信號相對于參考信號的大小[15]。本系統采用ADC0832 型號的模數轉換器，ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。它體積小，兼容性好，性價比高。ADC0832 微控制器是一個帶串行接口的8位A/D轉換器。由于具有雙重數據輸出功能，因此可以減少數據校準期間的數據錯誤，轉換速度快，并且穩定性高。A/D處理器接口電路如圖3所示。

圖3 A/D處理器電路

2.3 按鍵模塊

按鍵模塊采用獨立式鍵盤，采用軟件方式消抖，共設置3 個按鍵，使用3 個按鍵分別控制閾值的上升、下降、確認。點按UP 一下，預設閾值就會上升1%；點按DOWN 一下，預設閾值就會下降1%；點按OK，確認預設閾值，使單片機加載設定的閾值[16-17]。按鍵電路如圖4所示，按鍵的防抖功能由軟件實現。

圖4 按鍵電路

2.4 單片機模塊

單片機又稱單片微控制器，能夠把一個計算機系統集成到一個芯片上。它的體積小、質量輕、價格便宜，為實驗研究提供了便利條件。本裝置采用STC89C52RC型號的單片機作為系統主體，該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，結構簡單，成本低且體積較小。

單片機的STST86C52RC 的9 號引腳RST 是單片機復位端口，且單片機執行復位過程的必要條件是操作期間高電平會通過RST 端口，而更高的電平必須大于兩個周期，復位電路如圖5 所示。復位后，CPU可以從程序的存儲器中啟動外部復位電路。當操作出現錯誤時，可以通過執行復位來重啟單片機。由于單片機需要通過RS232 和上位機通訊，因此需要增加串口控制單元，單片機控制串口電路如圖6所示。

圖5 單片機的復位電路

圖6 單片機的總控制電路

2.5 顯示器模塊

液晶顯示器的顯示通過液性原理來實現，使得電壓能夠在控制顯示區時，液晶就可以顯示圖像。液晶顯示器特別薄，能夠在大規模電路情況下直接被驅動運行，實現彩色顯示[18]。其中液晶顯示的流程如圖7所示。

圖7 液晶顯示流程圖

2.6 電源模塊

電源模塊為整個新型花卉實時灌溉裝置提供所需的穩定電壓，使得其他所有模塊能夠正常進行工作，從而保障系統高效穩定運行。由于其節能、高效、經濟性強和環保等特點，所以電源模塊具有重要的應用意義。

2.7 水箱閥門模塊

水箱閥門根據土壤濕度傳感器檢測收集到的土壤濕度數據由單片機進行控制，當濕度傳感器檢測到花卉土壤中濕度低于系統設置適宜濕度范圍的下限時，會及時反饋缺水信號，由單片機控制水箱的閥門打開，對該區域花卉進行灌溉；當濕度傳感器檢測到花卉土壤中濕度高于系統設置適宜濕度范圍的上限時，控制水箱閥門關閉。從而達到自動灌溉的目的。

3 軟件設計

新型花卉實時灌溉裝置的軟件主要實現系統初始化、子模塊初始化、濕度讀取及濕度顯示，按鍵掃描，濕度處理判斷和水箱閥門控制，目的是使整個系統持續有效發揮作用。

具體流程為當土壤濕度檢測器獲取濕度信號后，該信號傳遞給A/D 處理器轉化成數字信號，由單片機對濕度傳感器收集的數據進行計算與分析。當濕度傳感器檢測到的濕度低于設置的適宜濕度范圍的下限時，由單片機控制水箱的閥門打開，對盆栽進行灌溉，經灌溉后，濕度傳感器監測的濕度達到設置的適宜溫度范圍的上限時，單片機控制水箱的閥門關閉。軟件的設計流程如圖8所示。

圖8 下位機設計流程圖

4 系統應用

新型花卉實時灌溉系統中的新型花卉實時灌溉裝置可以安裝在用于花卉運輸的貨車上、暫時轉存貨物的倉庫里、流水線上的分揀機暫存區等位置，放置完成后，打開實時灌溉的裝置開關，通過顯示器上的功能選擇顯示，在按鍵模塊上操作輸入，點擊打開項目、運行程序，進入登錄頁面，輸入用戶名及密碼登錄成功后系統自動跳轉到工作頁面，進行信息窗口顯示，在此界面進行設置及對運輸花卉的濕度范圍進行輸入進行事先預置。

完成上述操作后，新型花卉實時灌溉系統開始工作，當進行花卉運輸、儲存時，系統將對土壤環境濕度數據進行監測、采集和顯示，新型花卉實時灌溉裝置可根據不同情況自動對花卉進行實時灌溉，從而實現花卉灌溉管理的自動化和智能化。

5 結語

新型花卉實時灌溉系統采用單片機為控制核心、協同土壤濕度傳感器模塊、A/D轉換器模塊、電源電路模塊、按鍵輸入模塊、水箱以及顯示器模塊，可以在物流運輸過程中對花卉的土壤信息進行監測并實施自動灌溉，維持花卉的最佳生存環境，以實現對花卉物流有效的管理，解決了傳統物流運輸過程中出現水分短缺而導致盆栽死亡等損耗問題。