基于AT80C51单片机的物联网农业智能灌溉系统设计与实现

摘要：针对传统人工灌溉方式存在的灌溉不智能、不及时等问题，开发了一套基于AT80C51单片机的物联网灌溉系统，该系统能够通过温度与湿度传感器获取农田环境状况，并通过无线通信模块传输到远程数据中心。同时，该系统配套了灌溉系统阈值控制设备，可以根据需要对抽水泵进行调节控制。当系统判断农田土壤干旱时，环境条件触发系统阈值后及时抽水灌溉，使土壤始终保持适宜的温、湿度。经仿真试验和实际测试，以春、夏季不同生长阶段温室生菜为研究对象，智能灌溉下每株植物地上部分平均鲜重比传统人工灌溉至少增加11.31%；春、夏季智能灌溉的平均排水量分别比传统人工灌溉低64.96%和63.47%；春、夏季智能灌溉的灌溉用水效率分别比传统人工灌溉高68.03%和98.61%。该系统运行稳定，相关试验数据和试验现象符合预期。

关键词：AT80C51；物联网；农业智能灌溉系统；传统人工灌溉

中图分类号：S277.9；TP277         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）01-0177-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.01.032 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design and implementation of IoT intelligent irrigation system for agriculture based on AT80C51 microcontroller

CHE Peng-fei

（School of Information Engineering， Xian University， Xian  710065，China）

Abstract： An IoT irrigation system based on the AT80C51 microcontroller had been developed to address the issues of unintelligent and untimely irrigation in traditional artificial irrigation methods，the system could obtain the environmental conditions of farmland through temperature and humidity sensors and transmit them to remote data centers through wireless communication modules. At the same time， the system was equipped with irrigation system threshold control equipment， which could adjust and control the pumping pump as needed. When the system determined that the farmland soil was dry， the environmental conditions triggered the system threshold and pumped water for irrigation in a timely manner， ensuring that the soil always maintained a suitable temperature and humidity.Through simulation experiments and actual testing， greenhouse lettuce at different growth stages in spring and summer was taken as the research object. Under intelligent irrigation， the average fresh weight of each plant above ground increased by at least 11.31% compared to traditional artificial irrigation；the average drainage of intelligent irrigation in spring and summer was 64.96% and 63.47% lower than that of traditional artificial irrigation， respectively；the irrigation water efficiency of intelligent irrigation in spring and summer was 68.03% and 98.61% higher than that of traditional artificial irrigation， respectively. The system operated stably， and the relevant experimental data and phenomena met expectations.

Key words： AT80C51； IoT； intelligent irrigation system for agriculture； traditional artificial irrigation

收稿日期：2022-04-27

作者簡介：车鹏飞（1976-），男，陕西西安人，副教授，硕士，主要从事单片机技术开发与应用研究，（电话）13992840158（电子信箱）pengfeiche@xawl.edu.cn。

物联网是指通过各种传感器，将设备与网络相连接，设备通过信息传播媒介进行信息交换和通信［1］。物联网技术的出现让各行各业开始发掘它所带来的裨益，其中包括传统人工灌溉。中国作为最大的发展中国家，现有的农业灌溉系统主要依靠人力，然而，针对当前农村老龄化和劳动力缺失的问题，迫切需要现代化的智能灌溉技术［2］。作物生长的各个环节都需要农业从业者关注天气、温度、水分等各因素的变化，需要适时开闸放水进行灌溉。此类方式无疑增加了种植成本，浪费水资源。利用物联网技术，将智能灌溉系统中传感器采集到的信息通过无线通信模块GPRS或者窄带物联网等其他手段接入互联网、电信网或其他专用网，能够实现在远程数据中心获取到传感器采集到的信息［3］。使用C/S架构，在手机等手持设备或者嵌入式设备上搭建客户端就能够实时获取智能灌溉系统各位置的环境情况，同时能够对智能灌溉系统发布指令，控制系统的开关，从而达到实时检测、节约用水、远程控制等功能［4］。对于传统劳动密集型的农业而言，可解放劳动力，给农业生产带来更大的价值。

國内学者在精细化管理和控制灌溉系统研究上取得了卓有成效的成果。朱梅等［5］设计了一种基于柱塞泵与单片机的高精度可控施肥机，用于实现水肥一体化，该设备可精确控制施肥量且无水头损失。李景丽［6］设计开发的基于STC15F2K60S2技术的水肥灌溉系统试验田与应用简易灌溉系统的试验田相比，STC15F2K60S2技术的水肥灌溉系统灌溉量仅为简易水肥灌溉系统总用量的61.60%，节水省肥效果明显。骆寅等［7］研制了基于STM32F103ZET6单片机设计的灌溉泵智能运行监测系统，系统由MCU核心控制模块、水质监测模块、驱动电动机电压电流信号采集模块、GPRS无线通讯模块、监测信息显示模块以及供电模块共6个功能模块组成。Kponyo等［8］设计了一个农村农业智能灌溉系统，该系统将电子设备与互联网互联，并通过传感器获取数据，从而提供作物生长所需的水分。Kumar等［9］设计了一种用于缺水地区的智能灌溉系统，该系统可有效调节水库中的水位，从而为灌溉技术提供更加安全和可靠的水资源可行性解决方案。

1 系统架构与功能设计

1.1 物联网系统架构

随着计算机硬件研发加速和基础设施的完善，网络信息交换速率加快，同时芯片集成化让原来大型的通信设施便携化，达到方便、实用的目的［10］。物联网的出现打破了人与物之间的通信壁垒，与传统的互联网协议类似，物联网技术也采用了分层策略，其基本架构包括感知层、传输层、应用层（图1）。

感知层用于感知物体信息、进行远程控制。感知层的信息包括RFID、二维码、GPS、传感器、控制器、视频监控等。传感器是常用的感知器件，用来感知量化环境信息，包括温度、湿度、光照、气体等［11］。传输层可以基于现有的移动通信网络，采用现有的网络基础设施是较节省成本的传输方式，利用如GPRS模块或SIM模块等，可以让物联网设备实现网络数据通信和短信收发的功能。应用层的作用是将感知层感知的信息进行存储、展示、数据发掘等，同时可以根据使用者的需求，经过传输层下发指令等，应用层由服务器和应用终端构成［12］。综上所述，如今的物联网技术日趋成熟，不仅理论丰富，而且实际应用广泛。因此，本研究设计了物联网农业智能灌溉系统。

1.2 系统功能设计

在本次设计中考虑到灌溉系统的实际需要，将基于物联网的灌溉系统分成环境信息采集功能、参数显示功能、水泵控制功能、物联网传输功能4个方面。

1）环境信息采集功能。环境信息采集功能主要通过温度传感器DS18B20和土壤湿度传感器等多个传感器采集信息，在设计灌溉系统时，需要选择合适的传感器并设计驱动电路，让主控芯片能够从传感器中获取采集到的信息。

2）参数显示功能。使用LCD显示屏等作为人机交互工具，并通过LCD显示相关的测量参数。

3）水泵控制功能。在本系统中设计了继电器对水泵进行控制，继电器能够达到小电流小电压控制大电流大电压的目的。

4）物联网传输功能。通过串口控制GPRS模块，使用MQTT协议向服务器传输采集到的信息。

2 硬件设计

2.1 硬件总体方案

本次设计的主要硬件电路包括单片机核心电路、土壤温度检测电路、土壤湿度检测电路、水泵驱动电路、参数显示电路以及无线通信电路。

2.2 单片机核心电路

单片机核心电路主要包括AT80C51芯片、时钟电路、电源电路等。AT80C51内部带有3个定时器和2个外部中断，通过简单的配置就可以使用，能够实现定时、PWM输出、中断等功能。

管脚共有P1至P4 4组，每组8个管脚，其中P0端口设计为开漏方式，在作为输入管脚时，需要配合上拉电阻使用。P3管脚能够复用为其他的功能，包括串口、外部中断等。P3管脚复用功能如表1所示。

2.3 土壤温度检测电路设计

选用DS18B20作为土壤温度采集的模块。DS18B20是一种常见温度采集模块，其通过单总线进行数据的读取和指令的下发。DS18B20能够在-55～125 ℃工作，准确度为0.5 ℃。相较于其他的温度传感器，如DHT11等，DS18B20使用的管脚更少，使用时可以不需要外部电源，最低只需要2个管脚（GND管脚、数据管脚）即可完成温度的读取和转换。图2为土壤温度检测电路。DS18B20的管脚1和管脚3是电源管脚，用于给温度传感器供电；管脚2是数据管脚，单片机通过连接该管脚完成指令的下发和数据的获取。R15是上拉电阻，可以增加单片机管脚的驱动能力。

2.4 土壤湿度检测电路

使用土壤湿度传感器能够将土壤湿度信息转化成模拟量，这时需要使用AD转换芯片TLC2543。图3中TLC2543芯片采用了SPI接口，只需要少量的外设就能够实现模拟量转换成数字量的功能［13］。

2.5 水泵驱动电路

使用继电器完成对水泵的控制。为了提高驱动能力、增加功率、提高水循环的效率，选择21 V的直流电。图4为水泵控制电路，JK1A为继电器，继电器是一种小电压控制大电压通断的装置。这里JK1A连接的是单片机P3.2管脚，单片机管脚输出的信号为小电流小电压信号，一旦输出为高电平，那么JK1B中的3号开关就会从2端拨到1端，从而实现控制水泵的目的［14］。

2.6 参数显示电路

在农业智能灌溉系统设计中，有必要显示温湿度信息，选用液晶显示器LCD1602作为信息的显示模块。液晶显示器LCD1602具有功耗低、自带字库、宽电压、控制简单等特点。图5为液晶显示器LCD1602控制接口。

2.7 无线通信电路

GPRS模块采用的芯片为SIM800C。SIM800C是一款四频的GSM/GPRS模块，可以实现嵌入式环境下语音、信息等数据的传输，插入SIM卡后，可以进行短信发送等操作［15］。图6为SIM800芯片连线，其中U1为SIM800C芯片，负责协议解析和通信。

由图7可知，SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST、SIM_VDD用于连接U2，也就是SIM卡座。SIM卡座用于存放SIM卡。

3 软件设计

结合系统软件总体设计要求，终端软件设计的总体方案包括初始化子程序、土壤温度检测、土壤湿度检测、GPRS模块等，如图8所示。

3.1 土壤温度检测设计

在DS18B20的控制过程中，检测到DS18B20存在后，会发送控制字符给DS18B20，发送跳过ROM命令和开始检测命令，对应的字符分别是0xcc和0x44。通过读取DS1820获取相关的温度信息，需要连续读取2个字节，分别代表温度的高八位和低八位。将二者进行组合便得到扩大了10倍的温度数值（图9）。

3.2 土壤湿度检测设计

土壤湿度检测程序是通过SPI通信方法与TLC2543芯片进行通信，先下发需要读取的通道地址，然后从TLC2543芯片中读取转换后的量化信息（图10）。

3.3 GPRS设计

无线通信模块GPRS通过串口接收数据，接收数据的同时会产生接收中断。但是1次接收中断只能接收到1个字符，对于需要对字符串进行判断的情况，则需要将每次接收的字符保存，存入缓存。在这个过程中，判断1个数据包的开始和完结至关重要［16］。

现在有2种方法可以对数据包进行截断，第一种是设置固定的数据包头、包尾，这种方式适合通信双方都有自己制定协议的情况；第二种方式则是利用定时器，每收到1个字符数据，产生1个接收中断时，启动定时器，将定时器中的计数值清零。在计数值还没有达到阈值（也就是还没有产生定时器中断）时，如果接收到1个新的字符数据，则将它存入数据缓存中，并认为它和之前的数据在一个数据包中［17］。如果产生定时器中断，没有新的数据从串口接收，则认为这一帧数据接收完毕，同时接收标志位［18］。通过串口得到GPRS数据后，对获取到的字符串进行处理和拆分，从而解析出服务器发送的信息（图11）。

4 調试与仿真

设计过程中使用Proteus作为仿真和调试的工具。在仿真时，需要双击芯片选择KEIL软件的HEX二进制文件，点击运行，即可看见仿真效果［19］。使用的原件包括AT80C51芯片（U1）、土壤温度传感器（U2）、TLC2543模数转换芯片（U3）、LCD1602液晶显示模块。由于Proteus的仿真受限，使用虚拟串口模拟GPRS作为物联网传输接口。HEX文件加载完毕后，点击运行，就能够看见LCD1602上显示当前的温度和湿度情况，同时会通过串口打印相关的信息。当修改DS18B20的温度信息后，LCD显示屏和串口监视器上的数据也随之变化（图12）。

当修改压敏电阻RV1模拟的土壤湿度信息后，LCD和串口监视器上的数据也随之变化。本研究中当土壤相对湿度小于30%时，通过继电器控制水泵工作（图13）。

5 植株测试

5.1 地上部分平均鲜重

本试验在生菜温室中进行，温室栽培的基质材料为醋残渣（50%）和泥炭（50%），堆积密度为0.184 g/cm3，饱和导水率为0.051 cm/s，灌溉设备滴头的滴速为1 L/h，灌溉总体积用高精度水表测量。以0.2 m为间隔种植生菜，将60株生菜进行智能灌溉，其余相同数量的生菜进行传统人工灌溉（重复3次）。

表2总结了春、夏季播种后每7 d测得的每株植物地上部分平均鲜重。在春、夏季的不同生长阶段，智能灌溉下的单株植物地上部分平均鲜重比传统人工灌溉至少增加11.31%。与传统人工灌溉相比，智能灌溉可以实时检测根区的水分含量，满足植物需求。

5.2 灌溉排水率

分别在春、夏季任选3 d，计算每次灌溉的排水率，根据排水率和灌溉次数计算平均排水率，由表3、表4可知，春、夏季智能灌溉的平均排水率分别为8.68%和9.82%，传统人工灌溉的平均排水率分别为24.77%和26.88%，春、夏季智能灌溉的平均排水率分别比传统人工灌溉低64.96%和63.47%。

智能灌溉可以有效降低排水量。尽管如此，智能灌溉和传统人工灌溉夏季的平均排水量均高于春季，这是因为夏季较高的温度导致上层基质干燥，增加了基质的疏水性，因此灌溉水在排水期间更易于排水［20］。

5.3 灌溉用水效率

本研究分析了物联网技术在农业智能灌溉系统上的应用优势和不足，利用单片机开发设计了智能灌溉系统，同时使用Proteus对系统进行仿真和实际应用。

1）系统可行性分析。包括物联网技术、单片机技术等关键性技术的讨论，将系统功能拆分成了采集环境要素功能、参数显示功能、物联网传输功能等。

2）系统软硬件分析。本研究将基于物联网的智能灌溉系统各模块进行拆分，从而减小各模块的耦合，在硬件层面，能够方便各模块硬件进行单独的调试和维护；在软件层面也能够降低开发时验证、移植以及后期修改、维护的成本。

3）在灌溉培育生菜的实际应用中测试系统的应用价值。

与传统人工灌溉相比，智能灌溉系统的电子设备价格低廉、使用方便，并且可以重复使用。AT80C51单片机具有强大的数据处理能力以及较低功耗；温度传感器DS18B20使用时不需要连接外部电源，只需要2个管脚；LCD1602液晶显示屏具有功耗低、自带字库、宽电压、控制简单等特点。这些关键设备的特性适用于农业生产，可以实现对基质含水量的准确检测和对灌溉量的精确控制。采用物联网技术对灌溉系统进行赋能后，环境要素的感知和灌溉设施的控制不再受时空限制，极大限度拓展了灌溉系统的覆盖范围，同时减少了人力的使用。

6 小结与讨论

6.1 小结

本研究使用模块化的设计思路，分别对基于物联网的灌溉系统硬件和软件系统进行了详细描述，并分析了具体的工作过程和工作原理。同时，对基于物联网的智能灌溉系统进行了仿真，并进行了温室栽培测试。通过模拟灌溉，可以对灌溉过程进行参数设置，实时显示温度和湿度。该系统运行良好，在不同的生长阶段，智能灌溉下每株植物地上部分平均鲜重比传统人工灌溉至少增加11.31%，春、夏季智能灌溉的平均排水量比传统人工灌溉低64.96%和63.47%。春、夏季智能灌溉的灌溉用水效率分别比传统人工灌溉高68.03%和98.61%。设计的系统运行稳定，相关试验数据和试验现象符合预期，对于未来基于物联网智能灌溉系统的推广和使用具有重要意义。本研究以春、夏季温室生菜的灌溉情况为例进行了研究，下一步工作是将其应用于露天作物，并考虑使用太阳能作为整个系统的能源供应，最大限度地减少人为干预。

6.2 讨论

图14显示了春、夏季35 d的生菜鲜重和灌溉用水效率。与传统人工灌溉相比，智能灌溉减少了灌溉量、排水量，提高了灌溉用水效率（IWUE）。春、夏季智能灌溉的灌溉用水效率分别比传统人工灌溉高68.03%和98.61%。这是因为智能灌溉实现了对基质含水量的准确检测和对灌溉量的精确控制，因此生菜生长良好，没有水分胁迫和枯萎症状。

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