智能農(nóng)田灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雅欣 張洪瑞 解云濤 劉健飛 李然然

（太原科技大學(xué)，山西 太原 030000）

隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度的提升，基于土壤濕度監(jiān)測的微灌溉技術(shù)作為一種有效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，開始活躍于農(nóng)業(yè)澆灌中。提高有效灌溉率并縮短工作時(shí)間，是智能節(jié)水和澆灌技術(shù)的關(guān)鍵。在世界發(fā)達(dá)國家，自動(dòng)化智能澆灌系統(tǒng)已被廣泛用于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。通過采用遙感濕度傳感器監(jiān)測土壤和作物狀況，根據(jù)農(nóng)作物不同生長期對(duì)水分的需求量，對(duì)灌溉區(qū)的水管理進(jìn)行自動(dòng)遙控監(jiān)測預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)灌溉區(qū)管理自動(dòng)化和用水自動(dòng)化[1]。智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要實(shí)用價(jià)值[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程是通過DHT11溫濕度傳感器采集濕度信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部放大和A/D轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量輸出，然后通過藍(lán)牙傳送給單片機(jī)AT89C51控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過LCD1602顯示實(shí)時(shí)濕度以及閥值范圍。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路主要包括51單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊，藍(lán)牙通信模塊，濕度采集電路模塊，按鍵控制濕度閥值模塊，LCD液晶顯示模塊，報(bào)警模塊，電源模塊。與設(shè)定初值比較時(shí)，當(dāng)前所采集到的土壤濕度的實(shí)際值低于我們的設(shè)定值的下限時(shí)，報(bào)警器報(bào)警并且打開水泵增加灌溉；當(dāng)前所采集到的土壤濕度的實(shí)際值高于我們的設(shè)定值上限時(shí)，則停止灌溉從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控濕度值。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)

系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，其構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)[3]如圖2，時(shí)鐘采用外部12MHz振蕩電路，系統(tǒng)通過S鍵進(jìn)行復(fù)位。

VCC：供電電壓 GND：接地 RST：復(fù)位輸入

P0：8位雙向I/O口

P1：內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口

P2：內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口

P3：內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，也可作為一些特殊功能口

ALR/PROG：地址鎖存信號(hào)

XTAL1，XTAL2：晶振信號(hào)

兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器

五個(gè)中斷源

2.2 HC-06藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，其對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性和信息傳輸?shù)陌踩杂袠O大的保障。2.4GHz是藍(lán)牙技術(shù)在全球通用的通信頻段，藍(lán)牙信號(hào)的傳輸速率可以達(dá)到約1 Mbps。HC-06藍(lán)牙模塊主要性能參數(shù):

（1）頻率:2.4GHz;

（2）調(diào)制方式:GFSK;

（3）收發(fā)功率級(jí)別:class2;

（4）靈敏度:≤80dBm;

（5）通訊速率:2Mps;

（6）工作電壓:33V;

（7）工作穩(wěn)定溫度范圍: -20~+55℃。

HC-06藍(lán)牙通訊模塊電路圖如圖3所示:

圖3 HC-06藍(lán)牙模塊電路

2.3 濕度測量電路

濕度檢測采用一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有較高的抗干擾性和應(yīng)用穩(wěn)定性。傳感器包含1個(gè)NTC測溫元件和1個(gè)電阻式測濕元件，可以與8位高性能單片機(jī)連接[4]。DHT11的引腳說明如表1所示，測量電路如圖4所示，DHT11把采集到的溫濕度數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)形式傳送給單片機(jī)的P1.7口進(jìn)行處理。測量范圍:20-90%RH，0~50℃，測濕精度±5%RH，測溫精度±2℃，能夠滿足大多生產(chǎn)對(duì)象溫濕度測控范圍。

表1 DHT11引腳說明

圖4 測量電路圖

2.4 顯示電路

顯示部分（如圖5所示）采用的是LCD1602[5]，即兩行，每行十六個(gè)字液晶模塊。VSS為電源地，VCC接5V電源正極，V0為液晶顯示器及對(duì)比度調(diào)整端，RS為寄存器選擇端，RW為讀寫信號(hào)線，E端為使能端，D0-D7為8位數(shù)據(jù)雙向端，與單片機(jī)的P0口相接。

圖5 顯示電路

2.5 按鍵電路

按鍵設(shè)置部分采用三個(gè)獨(dú)立按鍵分別為K1、K2、K3，與單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6口相連接。功能為K1為設(shè)置按鍵，K2為減按鍵，K3為加按鍵。

2.6 超常報(bào)警電路

報(bào)警電路由二極管與電阻連接，其中何時(shí)報(bào)警可以編寫程序進(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)中報(bào)警電路與單片機(jī)P3.2口連接。當(dāng)檢測到低電平，蜂鳴器報(bào)警[6]。

2.7 電機(jī)電路

本設(shè)計(jì)中電機(jī)電路與單片機(jī)P3.7口連接。當(dāng)檢測到低電平，電機(jī)啟動(dòng)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括土壤濕度檢測和處理程序。鍵盤程序，LCD顯示程序，時(shí)鐘程序，土壤濕度檢測和處理程序是關(guān)鍵程序，連續(xù)檢測土壤的濕度值，并對(duì)采集到的的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理且與設(shè)定值比較，去執(zhí)行水泵程序。

首先將LCD初始化，然后讀取濕度值進(jìn)行處理和按鍵檢測，并判斷數(shù)值是否超出預(yù)設(shè)范圍，超出則蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)實(shí)際濕度低于設(shè)定下限值，單片機(jī)啟動(dòng)水泵進(jìn)行工作。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示：

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)仿真

利用Keil軟件和Proteus軟件聯(lián)合測試，把Keil軟件程序生成的.HEX文件導(dǎo)入到Proteus仿真中的單片機(jī)中，然后開始運(yùn)行，就可以看到Proteus原理圖中模擬的實(shí)物運(yùn)行的狀態(tài)和過程[7]。顯示器的Ct.humi代表測得的土壤濕度，RH代表設(shè)置的濕度上限，RL代表設(shè)置的濕度下限。濕度通過DHT11溫濕度傳感器測得。仿真條件：濕度采用10K滑動(dòng)變阻器的分壓值來代表，濕度在18%~15%之間，蜂鳴器不工作，水泵工作；濕度低于15%時(shí)，兩者都工作；濕度高于18%時(shí)，兩者都不工作。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是基于51單片機(jī)與DHT11溫濕度監(jiān)測的智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)模擬，本文的主要總結(jié)如下：

通過DHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)完成對(duì)土壤的濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過藍(lán)牙將信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥魃希粓?zhí)行模塊則由水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，可通過按鍵自主設(shè)計(jì)濕度閾值，通過比較測試值與閾值的來驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)工作；可在LCD1602上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，并帶有超限報(bào)警功能。

通過實(shí)驗(yàn)仿真與系統(tǒng)實(shí)測，系統(tǒng)可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控灌溉的功能，有效利用水資源，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理過程中。