智能浇灌装置设计在大棚种植中的应用

张 涛，李自成，官永琪，陈洪希，王文涛，程 超

（成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000）

随着国家科技水平的逐步提高，加快步入智能化时代的进程，人们平时的生活劳作方式逐渐趋向于简便、智能化。越来越多的智能化产品投入到了种植业、栽培业之中。中国是一个农业大国，作为国民生活命脉，国家花费了大量财力发展科学、快捷、高效的农业模式。大棚蔬菜、无土栽培等技术的广泛应用，极大地提高了收益率。但是存在农业种植一般规模比较大，少则几亩，多则上百亩，由于人力和设备的限制，根本无暇及时照料的问题。这会导致农作物长时间缺水干旱和暴晒在阳光下，最终枯死。还有存在人为操纵设备浇水，掌握不了农作物的土壤温度和湿度情况，而盲目进行浇水。浇水过度，造成农作物涝死、病变；浇水量不足，不能满足植物生长需求。为解决这些问题，本文设计了利用温湿度、光照强度传感器采集信息，用单片机控制驱动器，实现浇水、遮阳的智能浇灌装置[1]，实现智慧农业的要求。

1 工作原理及系统框架设计

农作物浇灌并不是任何时候都可以，温度太高和光照强度太强情况下都不适合浇水。本文设计的浇灌装置，利用两个传感器来采集环境的光照强度、土壤温度、土壤湿度信息[2]。将所采集的模拟信号，经A/D转换模块处理成数字信号传给单片机[3]，单片机将信号与预设定的温度、湿度、光照强度值相比较[4]。如果湿度适宜，温度过高和光照强度太高，单片机则控制遮阳篷布电机工作，驱动遮阳篷布对植物进行遮阳处理，电机控制的水泵则停止工作。如果湿度低于预设值，温度和光照强度都在适宜范围内，单片机则控制水泵电机工作，进行灌溉。湿度低于预设值，温度和光照强度都不适宜，水泵电机不工作。温度、湿度、光照强度信息共同来决定装置浇水、控光功能[5]，实现智能控制。装置总体框架结构如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 时钟电路和复位电路

单片机时钟电路是由外部晶振来实现振荡的电路，为单片机提供运行时间，由两个电容和一个晶振组成[6]。晶振来决定单片机的运行速度，在本文中选用12MHz晶振。复位电路就是在复位引脚产生复位信号，使单片机程序从头开始执行，保证单片机程序不会出现跑飞和死机情况，本文采用高电平复位电路。电路如图2所示。

图2 时钟和复位电路

2.2 光照强度传感电路

一些农作物不能长时间暴晒在阳光之下，容易被晒伤，植物一般喜阳强度在5klx左右，根据农作物自己的喜光程度进行适当调节。在Proteus软件中没有BH1750光照强度传感元件模块，在设计中利用滑动电位器分压来代替BH1750光照强度传感器采集的电压信号。利用8位、单通道、价格便宜的A/D转换器ADC0804芯片，将采集到的光照强度模拟信号转换为单片机能识别的数字信号，单片机将采集的信号，与处理后的温湿度传感器采集的信息相比较，再判断是否发出浇水遮阳指令。设计出用滑动电位器模拟光照强度传感器的图3电路。

图3 滑动变阻模拟光照强度传感器电路图

2.3 温湿度传感电路

在该设计中选用已经校准数字信号后输出的DHT11温度湿度相结合的传感器，该传感器主要由电阻型感湿元件和NTC测温元件组成。它可以直接与AT89C51单片机相连，不需要用外设A/D转换模块处理检测的信号，使用方便。温度量程在0-50℃，误差范围±2℃。根据实际需要，在本设计中土壤温度上限设置为35℃，下限设置为28℃，最理想温度30℃。土壤湿度在60%-80%左右，根据不同的植物耐湿性自由调节，一般在75%最佳。当温度值超过或低于设置的值时，单片机控制的水泵电机不工作，防止冻伤和烧伤植物。等待温度、光照强度在适宜范围内，缺水时水泵电机才驱动进行浇水。温度、湿度当超过设定的值时，继电器控制的相应LED报警灯会亮[7]，装置不会进行浇水动作[8]。温湿度传感电路及引脚接口如图4所示。

图4 温湿度传感电路

2.4 驱动电路

在本装置设计中，驱动电机功能需要能实现正反转，并且转动角度可控，按照设定的数值进行转动。这样才能保证遮阳篷和水泵的正常运行，如果转动角度过大或转动不可停，那么可能就会导致扭断转轴或装置。根据模拟需要，选用两个步进电机来模拟遮阳篷驱动电机和水泵驱动电机，根据输入的脉冲数量，来控制转子转动的角度或前进步数[9]。但单片机输出的电流很小，无法直接驱动步进电机，所以在电路设计中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片将单片机输出的电流放大后驱动步进电机[10]。第一个步进电机驱动遮阳篷工作，当光照强度过高时，步进电机转动一定的角度即可实现遮阳功能，光照不足时，步进电机反转关闭遮阳篷。第二个步进电机控制水泵的运作，当接收到浇水命令时，步进电机驱动水泵抽水进行灌溉，土壤湿度处在75%时，水泵关闭。步进电机驱动电路及连接方式如图5所示[11]。

图5 步进电机驱动电路

2.5 显示电路

在整个电路的设计中，显示温度、湿度信息的显示屏选用字符型液晶显示模块LCD1602。它是一个集成了驱动主电路HD44780、扩展驱动电路HD44100以及一些电阻电容元件的功能性模块。该模块能显示32个字符，整个芯片的工作电压在4.5-5.5V，工作电流在0.002A。整个显示屏最佳的工作电压是维持在5.0V。在本设计中选用标准的无背光14引脚的LCD1602。它的连接方式有直接控制和间接控制两种，为了简化电路，选用直接控制方式。

LCD1602显示屏的14个引脚，重点在于几个使能端的接法。它的基本操作有读状态、读数据、写命令、写数据四种，四种操作的核心在于RS端和RW端的电平变化。RS端是命令/数据切换引脚，该端口为逻辑0时，选择命令，为逻辑1时，选择数据。RW端口是读/写选择引脚，当该接口电平为逻辑0时，向显示屏写入命令和数据，当该端口电平为逻辑1时，显示屏读取状态和数据。第三引脚VEE端是液晶显示屏显示的偏压信号，在这里为了避免对比度过高时产生“鬼影”现象，在使用时接入一个10K的电位器，来调整其对比度，减小误差。

在浇灌装置电路的设计中，需要将系统采集的温度TEM、湿度HUM和光照强度LIG的信息以数字和百分比的形式显示在显示屏上。LCD1602在该装置系统中的电路设计及连接方法如图6所示。

图6 显示电路

3 系统软件设计

设计的装置工作必须要按照一定的顺序进行，浇水动作指令的第一步先判断环境光照强度情况。光照是能量的来源，如果光照强度太高，辐射的能量会引起农作物所处土壤温度升高，光照强度太低，会导致土壤温度过低。在这两种情况下，都是不适宜进行下一步温湿度信息采集指令的[12]。单片机会发出相关指令，控制遮阳篷布工作。当光照强度为0时，整个装置处于待机不工作状态。光照强度在适宜范围内并将温度控制在适宜的范围内，再进行土壤湿度监测，进一步再控制水泵的工作。这样才能保证装置在植物土壤湿度低于预期的时候，且土壤温度、环境光照强度适宜时进行浇水，保证植物生长环境物理状态在最佳。根据工作流程的构思制作出图7的软件运行流程图。

图7 软件流程图

编程软件用微控制器软件开发工具Keil，因其拥有丰富的库函数和非常强大的集成开发调试工具，在中国的软硬件领域利用率高达80%。装置设计的功能要实现，重点在于程序的编写，Keil μVision 4软件编程使用的流程为新建Project→选择单片机型号AT89C51→新建后缀名*.C程序文本→将源文件加入到工程→在源文件输入框中写入程序→编译程序→输出.hex文件。用Proteus仿真时，双击单片机，将.hex文件加载到单片机即可进行仿真。程序编写的重点在于温度、湿度、光照强度数字信息相比较的程序编写，会多次用到if函数和for循环函数的嵌套。在延时函数程序中会多次用到。软件编写部分程序如图8所示。

图8 部分程序窗口

4 智能浇灌装置发展的未来展望

整个装置的设计由控制电路、译码电路、传感电路、显示电路、驱动电路等组成，结构小巧简单，设计的功能能与农作物生长所需环境信息相匹配。“智慧农业”模式是大势所趋，我国是一个农业大国，在农业智能浇灌方面还没有成形的硬件系统和技术，在后续不断地设计与优化中，智能浇灌装置将会出现在各种大型灌溉场合。为了更好地解决现代技术智能发展与传统方法之间矛盾，常规的灌溉模式已不可取。智慧农业灌溉将是解决此矛盾的重要措施之一，对智能化灌溉系统的大面积推广使用不但可以节约农业种植人力资源，也能降低灌溉产业投入成本。探索适合农业的智能化灌溉系统模式是抢占未来农业灌溉系统的重要核心技术，本设计虽然还有诸多地方需要完善优化，但在后续的设计中能起到基石的作用。

5 结论

本文设计了一种基于“大棚种植”模式的智慧农业浇灌装置，其电路结构简单，易操作。利用传感器来获得环境信息参数，单片机将信息经过接收、判断、处理，进而控制水泵电机和遮阳篷电机工作[13]。使电机在土壤温度、湿度、环境光照强度共同监测下进行智能运行，确保浇灌装置在最理想的状态下进行灌溉遮阳作业。保证装置在农作物处于最佳状态下进行浇水动作，既减少了人们的工作量，又保证植物不受损伤。设计的系统装置能完成信息采集功能、数据处理功能、控制驱动功能，达到了设计的基本要求，可以对农作物进行智慧灌溉。