基于土壤湿度监测的智能浇灌系统设计

江莹旭　陈如清

【摘 要】基于AT89C51单片机，设计了基于土壤湿度监测的智能浇灌系统。整套系统由控制、传感、执行三部分构成，用于实时监控智慧农业大棚中土壤的湿度。工作时通过对土壤湿度的采集和对比，当实际湿度低于设定下限或高于设定上限值时，单片机启动水泵或风机工作，避免土壤因过旱或过涝给植物造成的影响。总体上能实现实时测量温室土壤的湿度，并根据不同植物生长周期对其进行适时适量灌溉，有效提高了温室设施的农业自动化程度。

【关键词】湿度监测；单片机；传感器；智能浇灌

0 引言

随着农业自动化程度的提升，基于土壤湿度监测的微灌溉技术作为一种有效的现代农业节水灌溉技术，开始活跃于农业浇灌中。提高有效灌溉率并缩短工作时间，是智能节水和浇灌技术的关键[1]。在世界发达国家，自动化智能浇灌系统已被广泛用于发展节水农业。通过采用遥感湿度传感器监测土壤和作物状况，根据农作物不同生长期对水分的需求量，对灌溉区的水管理进行自动遥控监测预报，实现灌溉区管理自动化和用水自动化[2]。智能浇灌系统的设计具有重要实用价值[3]。

1 系统工作原理

本系统可用于智慧农业大棚中植物土壤水分的实时监控，目前主要针对西红花（生长期从11月到来年5月，此期间相对湿度保持在60-70%）的栽培。整个系统的工作过程是通过SHT11数字式温湿度传感器采集湿度信号，经内部放大和A/D转换后以数字量输出，然后传送给单片机AT89C51控制系统，最后经过LCD显示实时湿度。整个系统的硬件电路主要包括51单片机控制系统模块、湿度采集电路模块、键盘模块、LCD液晶显示模块、报警模块、时钟模块、湿度控制模块、电源模块。每一种植物都有适宜的湿度范围，据此来设定湿度初值。与设定初值比较时，当前所采集到的土壤湿度的实际值低于我们的设定值下限时，打开水泵增加灌溉；当前所采集到的土壤湿度的实际值高于我们的设定值上限时，打开风机进行通风，从而实现实时监控湿度值。系统总体结构如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 单片机控制系统设计

采用AT89C51单片机作为控制器，通过P0口与LCD1602传递数据，P1.7为水泵电机的驱动接口和湿度下限报警的接口，P1.6为风机的驱动接口和湿度上限报警的接口，P2.0-P2.2为时钟芯片的接口，P1.3-P1.4是温湿度传感器SHT11时钟、数据口，P3.4-P3.7为键盘电路接口。

2.2 湿度采集电路设计

选择合适的湿度传感器是实现精确土壤湿度监测的关键。实际中常用相对湿度表示水蒸气的饱和度的高低[4]。根据湿度范围为20%-90%RH，精度为±5%RH的测量要求，选用集成度较高的SHT11传感器（测湿范围为0-100%RH），经校准的输出数字信号使其具有卓越的长期稳定性和超低能耗，适用于超长的信号传输距离。湿度采集电路使用集成湿度传感器SHT11，它将相对湿度传感器、放大器、A/D转换器、接口、存储器及控制单元集成一体，形成数字化湿度传感器，在功能和微型化方面均有重大突破。

2.3 键盘电路的设计

利用键盘实现对湿度上下限的设置，设计时采用4个独立按键，分别为加、减、设置、退出。湿度上加键接P3.6口，按加形式设置湿度；湿度下减键接P3.7口，按减形式设置湿度；液面初始化下显示实时时间和湿度，设置键接P3.5口，按一下设置键显示湿度上限，再按一下设置键显示湿度下限，通过加和减键就可以调节湿度上下限；退出键接P3.4口，返回初始界面。

2.4 LCD液晶显示电路的设计

采用14条引脚的字符型LCD1602，少了背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚）两条线，但和16脚的LCD完全一样。D0～D7脚分别接CPU的P0.0-P0.7，由于51芯片内部P0口没有上拉电阻，所以要外接排阻RP1，提供足够的电流和电压。

2.5 报警电路的设计

单片机的P1.6接LED湿度上限报警灯，P1.7接LED湿度下限报警灯，起着控制温度湿度的报警作用，只要控制单片机接口的高低电平就可以实现报警提醒。当湿度低于设置下限时，单片机控制P1.7脚由高电平变为低电平，D2导通变亮；当湿度超过设置上限时，单片机控制P1.6脚变为高电平，D3导通变亮。

2.6 时钟电路的设计

在本系统设计中，需要显示现场土壤湿度值的实时时间，便于用户记录植物生长状况。所以采用DS1302时钟芯片与单片机结合设计的时钟电路可以显示出实时年、月、日、时、分、秒等信息。DS1302的RST、SCLK、I/O口分别与单片机P2.0-P2.2相接。但实际使用中DS1302表现出实时时间的传送出现误差，这主要是由晶振造成的，所以要选用具有6pF负载电容的晶振进行补偿。

2.7 湿度控制电路的设计

湿度控制电路可使用L298步进电机驱动或控制电磁阀驱动，本系统采用电磁继电器。当电磁继电器线圈通电，继电器内部就会因为电磁效应产生磁力，吸引衔铁块使其克服了弹簧拉力的作用，吸附在常开触点上，间接控制水泵电机/风机的启停状态。

3 软件系统设计

软件系统主要包括土壤湿度检测和处理程序、键盘程序、LCD显示程序、时钟程序。土壤湿度检测和处理程序是关键程序，连续检测土壤的湿度值，并对采集到的湿度数据进行处理，通过与设定值比较，去执行水泵或风机控制程序。键盘程序实现人工设定湿度初始值，并通过延时程序消除按键抖动问题。LCD显示程序在上电的时候，动态显示时间和当前土壤湿度值。时钟程序可实时显示现场时间。整个系统在上电稳定后，先对LCD和DS1302初始化，读取当前时间和湿度值，然后判断是否有按键按下，若有就执行对应程序功能。当实际湿度低于设定下限值时，单片机启动水泵工作；当高于设定上限值时，单片机启动风机工作。

4 总结

本文完成了基于土壤湿度监测的智能浇灌系统的设计。湿度传感器和时钟DS1302完成传感模块，51单片机控制系统电路和键盘电路完成控制模块，执行模块则是由水泵电机驱动电路和风机驱动电路实现的。具有测量范围广及测量精度高的优点，能实现大棚智能监控灌溉的功能，可广泛适用于农业大棚的生产管理过程。

【参考文献】

[1]倪涛.基于单片机控制的节水灌溉系统研究[J].机电信息，2011（27）：215-216.

[2]张婷，白安龙.自动化滴灌系统在新疆农业灌溉中的应用前景[J].石河子科技，2009（1）：18-19.

[3]王有春，庞慧，屈建平.农田智能浇灌自动控制系统的设计[J].安徽农业科学，2012，40（3）：1760-1761.

[4]高燕.基于FD原理土壤水分传感器标定方法与系统集成[D].北京：中国农业大学，2006，6.

[责任编辑：汤静]