基于C8051F80X單片機(jī)及PC機(jī)的節(jié)水灌溉與施肥控制管理系統(tǒng)

楊金紅 蘇剛 林詠海 洪雪飛

摘要 基于PC機(jī)及C8051F80X單片機(jī)的智能化滴灌及施肥管理系統(tǒng)能夠監(jiān)控不同土壤的濕度，并根據(jù)農(nóng)作物對土壤的不同濕度要求，從而實(shí)現(xiàn)適量、適時灌溉的目的。在進(jìn)行灌溉的同時，把測土配方后的肥料通過輸水管道輸送到植物根部，科學(xué)合理的進(jìn)行水肥供給。單片機(jī)和PC機(jī)是智能化滴灌及控制施肥的核心部分，對土壤灌水量與濕度的關(guān)系、智能滴灌技術(shù)、控制系統(tǒng)的硬軟件等部分進(jìn)行了探討與研究，同時根據(jù)不同的作物對各類肥料有不同的需求率和利用率，對不同的植物采用不同的施肥方式，提高肥料利用率。把灌溉和施肥結(jié)合起來，可以完成對作物生長期各個階段的肥料及水分需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成農(nóng)業(yè)專家數(shù)據(jù)庫，真正作到科技興農(nóng)。

關(guān)鍵詞 C8051F80X;模糊控制

中圖分類號 S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11948-03

Water-saving Irrigation and Fertilization Control Management System Based on C8051F80XMCU and PC

YANG Jin-hong1， SU Gang2， LIN Yong-hai1 et al

（1. School of Electronic Engineering， Huaian College of Information Technology， Huaian， Jiangsu 223003; 2. School of Media Arts， Huaian College of Information Technology， Huaian， Jiangsu 223003）

Abstract PC and C8051F80X single chip computer intelligent drip irrigation and fertilization management system can monitor based on different soil humidity， and according to the requirements of different crops on the soil humidity， so as to achieve the purpose of appropriate， timely irrigation. In irrigated at the same time， the soil testing and fertilizer after delivery to the roots of the plant through the water pipe， the scientific and reasonable water and fertilizer supply. PC and MCU is the core part of intelligent drip irrigation and control fertilization， the relationship of soil irrigation quantity and humidity， intelligent drip irrigation technology， control system hardware were discussed and studied， at the same time， according to the different crops on various types of fertilizers have different needs and utilization rate， for different plants by different fertilization methods， the utilization rate of the fertilizer was improved. The irrigation and fertilization combination can finish statistics on fertilizer and water demand of crops in each growth period， and form agricultural expert database.

Key words C8051F80X; Fuzzy control

作者簡介 楊金紅（1980- ），女，江蘇淮安人，講師，碩士，從事儀器儀表與電子測量研究。

收稿日期 2014-10-11

我國人均占有水資源非常貧乏。當(dāng)前，全國總?cè)彼砍^400億m3，其中農(nóng)業(yè)是用水大戶，約占70%，而灌溉用水是農(nóng)業(yè)用水的90%。采用傳統(tǒng)的灌溉模式，全國平均用水量超過實(shí)際需要的1～2倍，有些地方是2倍以上。當(dāng)前，我國灌溉水資源的浪費(fèi)情況相當(dāng)嚴(yán)重，節(jié)水的潛力十分巨大。

當(dāng)前制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素中，除了水資源的貧乏，還有肥料利用率偏低的問題。我國耕地面積占世界的7%，施肥量卻占到了世界施肥總量的30%。不能科學(xué)合理地施用化肥也使得農(nóng)業(yè)種植成本增高，造成資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是對生態(tài)環(huán)境造成污染，所以必須提高肥料利用率。這樣，一方面能降低農(nóng)業(yè)的產(chǎn)品投入，另一方面能保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源。

針對我國施肥不合理和灌溉系統(tǒng)自動化水平較低的問題[1-5]，研究了基于PC機(jī)及C8051F80X單片機(jī)的智能化滴灌及施肥管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)控不同土壤的濕度。根據(jù)農(nóng)作物對土壤濕度的不同需要合理灌溉，在進(jìn)行灌溉的同時，把測土配方后的肥料通過輸水管道輸送到植物根部，科學(xué)合理地進(jìn)行水肥供給。智能滴管及施肥系統(tǒng)的核心是單片機(jī)和PC機(jī)。為此，筆者對土壤灌水量與濕度的關(guān)系、智能滴灌技術(shù)、控制系統(tǒng)的硬軟件等部分進(jìn)行了探討與研究，同時根據(jù)不同的作物對各類肥料有不同的需求率和利用率，對不同的植物采用不同的施肥方式，提高肥料利用率。把灌溉和施肥結(jié)合起來，可以完成對作物生長期各個階段的肥料及水分需求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成農(nóng)業(yè)專家數(shù)據(jù)庫，真正作到科技興農(nóng)。

1 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制由上位機(jī)部分和下位機(jī)部分組成。上位機(jī)同下位機(jī)的電平轉(zhuǎn)換功能通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)部分的硬件電路以C8051F80X單片機(jī)為核心，外圍的硬件電路由信號調(diào)理電路、土壤濕度檢測電路、控制輸出電路、數(shù)據(jù)顯示電路、報(bào)警電路組成。采用匯編語言進(jìn)行編程。上位機(jī)和下位機(jī)二者通過串行方式通信，故能進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，通信軟件選用具有友好的人機(jī)界面的VC編程。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：①土壤的濕度相關(guān)參數(shù)通過電腦上的人機(jī)對話界面來設(shè)置;②土壤濕度傳感器測到的土壤濕度模擬量可由單片機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，LED在顯示器上顯示濕度值，濕度值通過單片機(jī)的串行通信電路傳輸?shù)絇C機(jī)上;③所需的灌水量和灌水時間由PC機(jī)通過專用程序計(jì)算，在界面上顯示，灌水信息通過串行口送給單片機(jī)，有灌水需要，鳴音報(bào)警由單片機(jī)系統(tǒng)啟動，經(jīng)驅(qū)動放大設(shè)備啟動電磁閥進(jìn)行灌水，否則不灌水。該項(xiàng)目還對土壤濕度與灌水量之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在對土壤濕度的分析和處理中用到了模糊控制理論，起到了節(jié)水灌溉的目的。

“測土、配方、配肥、供應(yīng)、施肥指導(dǎo)” 是測土配方施肥技術(shù)的5個核心環(huán)節(jié)。該項(xiàng)目主要解決肥料供應(yīng)的問題，將配好的肥料溶解在灌溉水中，灌水及施肥雙管齊下，實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)。另外，利用植物生長的周期較長的特點(diǎn)，把植物生長的各階段對應(yīng)的水肥需求信息通過PC機(jī)記錄，用專門的軟件分析計(jì)算，得出不同作物生長過程的最佳水肥配比，提高肥料利用率，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，起到提高經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的作用。

1.1 滴灌系統(tǒng)

1.1.1 滴頭。水流經(jīng)過滴頭的微小的孔隙，成水滴，滴灌進(jìn)入土壤。

1.1.2 水管系統(tǒng)。水管系統(tǒng)包括毛細(xì)管、支管和主管。主管和支管的內(nèi)徑一般為40～100 mm，毛細(xì)管的內(nèi)徑大約10 mm，可以選擇聚氯乙烯或高壓的聚乙烯材料制成。旁通、四通、三通、二通、把毛細(xì)管、支管和主管連接上。

1.1.3 前部。前部由過濾器、水泵和化肥罐組成。通過抽水加壓同時施入液體肥料（液體肥料灌的容積100～150 L），通過過濾裝置濾除雜質(zhì);最后水肥液被送進(jìn)主管。

1.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)監(jiān)測、控制滴灌工程的主要設(shè)備并進(jìn)行各種信息處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

1.2.1 單片機(jī)的選取。

該系統(tǒng)選用ATMEL標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)C805lF800微控制器系列，該系列微控制器具有快速的電容接觸響應(yīng)功能。電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）集成在C805lF800微控制器上，觸摸響應(yīng)功能可在終端產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)。由于高分辨率電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器獲取時間為40 s，中央處理器（C P U）是25MIPS，觸摸感應(yīng)功能既精密又快速，滾軸、機(jī)械式按鈕及滾輪足以被取代。生產(chǎn)階段和原型的厚度落差和形狀可以由16位分辨率由電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器和固件補(bǔ)償，使F800微控制器可以通過設(shè)置Threshold值來免除誤觸，又可以實(shí)現(xiàn)高分辨率，終端產(chǎn)品的可靠性得到改善。CPU資源很少被電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器占用，其他任務(wù)被微控制器執(zhí)行，系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高。

圖1 灌溉系統(tǒng)示意

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)示意

1.2.2 土壤濕度傳感器的選用。

作物生長受土壤水分多少的直接影響，作物在合適的濕度環(huán)境下，生長狀況好，所以就要選用可以使?jié)穸瓤刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)的土壤濕度傳感器，這樣農(nóng)田土壤水分能夠被準(zhǔn)確、快速地測定，施肥、澆灌和排水措施可以科學(xué)地進(jìn)行。傳感器所測土壤水分信息作為該系統(tǒng)的輸入信號，因此要合理選擇傳感器。土壤濕度傳感器的測量精度太低，很難精確控制土壤濕度，精度如果太高，會增加支出。綜合考慮，以美國生產(chǎn)的AQUA-TEL-TDR便攜土壤濕度分析儀作為濕度傳感器。它便于攜帶，可長期放在地下，操作簡單，能耗低，其技術(shù)參數(shù)如下：

①測量土壤水分范圍0～100%;

②重復(fù)性誤差<1%;

③溫度范圍-60～85 ℃，精度±2 ℃;

④電源12DC±20%，電流40 mA;

⑤輸出0～1 mA，可選4～20 mA或0～5 V;

⑥預(yù)熱時間1 min;

⑦標(biāo)準(zhǔn)電纜30.48 m。

1.2.3 下位機(jī)軟件編程。

單片機(jī)是該系統(tǒng)下位機(jī)的核心，匯編語言作為編程語言。匯編語言采用符號地址、指令的助記符、標(biāo)號等符號進(jìn)行程序書寫，它是單片機(jī)軟件編程的重要工具。匯編語言能夠在系實(shí)時控制、智能計(jì)算和實(shí)時處理等領(lǐng)域中有著十分重要的的地位。單片機(jī)的硬件功能可以通過匯編語言被充分實(shí)現(xiàn)，程序質(zhì)量高，軟件占用的內(nèi)存空間小、程序的運(yùn)算速度很快。而且它和具體單片機(jī)合為一體，屬于非常通用的低級程序語言設(shè)計(jì)，使用匯編語言編寫的程序，單片機(jī)內(nèi)部的片內(nèi)RAM單元和工作寄存器可以被用戶直接訪問，數(shù)據(jù)的處理過程有針對性。所以，即使如今已經(jīng)開發(fā)很多集成可視化開發(fā)環(huán)境和高級語言，匯編語言仍然是十分有效的程序設(shè)計(jì)語言。

1.3 測土配方施肥的研究

以肥料的農(nóng)田試驗(yàn)和土壤成分測試作為依據(jù)，依據(jù)土壤的供肥性能、肥料的效應(yīng)和作物的需肥規(guī)律，以肥料合理施用為基礎(chǔ)，研究磷、氮、鉀和中、微量元素等肥料的配比、施肥方法和施肥階段。解決和調(diào)節(jié)作物土壤施肥與土壤需肥之間的差異是測土配方施肥的核心技術(shù)。使作物所需的營養(yǎng)元素的補(bǔ)充更有針對性，根據(jù)農(nóng)作物營養(yǎng)元素的缺失情況，有針對性地進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)整，使農(nóng)作物生長所需營養(yǎng)素達(dá)到均衡供給，同時可以使肥料利用率提高，使肥料使用量降低，在使作物增產(chǎn)的同時，提升農(nóng)作物的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約勞力，增加農(nóng)民收入的目的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 雙機(jī)通信

C805lF800單片機(jī)和PC機(jī)的雙機(jī)通信軟件包括PC機(jī)的串行通信軟件和單片機(jī)的通信軟件，PC機(jī)的串行通信軟件采用VC語言編程，單片機(jī)部分采用匯編語言編程。上位機(jī)串口通信及可視化界面編程采用VC高級語言編程。

系統(tǒng)工作界面包括土壤濕度下、上限、土壤濕潤層深度等參數(shù)設(shè)置。當(dāng)用戶正確設(shè)定了上述參數(shù)值，得出需灌水量和灌水時間的數(shù)值，上位機(jī)將灌水所需時間和土壤濕度下限值通過串行通信口傳給單片機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時，如果土壤濕度值小于或等于土壤濕度下限值被檢測到，系統(tǒng)上位機(jī)和單片機(jī)都可以自動計(jì)算出灌溉水量和灌水時間，進(jìn)行灌水。上位機(jī)則對每次灌溉水量和所需養(yǎng)分進(jìn)行記錄，為形成農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)來源。

2.2 模糊控制灌水

建立于人類思維的模糊性基礎(chǔ)之上的模糊控制學(xué)與傳統(tǒng)自動化控制學(xué)有著根本的區(qū)別，它可以高效地描述和模仿人的思維方式，反映和總結(jié)人的生活經(jīng)驗(yàn)，能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)和事物可進(jìn)行模糊識別、模糊度量、模糊控制、模糊推理和模糊決策。

模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式，常用的方法有通過合成推理發(fā)展的合成推理的查表法、關(guān)系矩陣法、強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法和后件函數(shù)法、合成推理的解析公式法等。在對土壤濕度的分析和處理中用到了模糊控制理論，傳感器采集到當(dāng)前的土壤濕度值首先送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，系統(tǒng)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，求出和所設(shè)定的土壤的濕度值的偏差E和偏差變化率EC。按照模糊控制理論的要求，偏差E和偏差變化率EC被模糊化處理和規(guī)范化，查出模糊控制響應(yīng)表，得出輸出控制量，控制設(shè)備的開關(guān)。

土壤濕度的控制中引入模糊控制的思想，能夠減少水資源的浪費(fèi)，同時能夠根據(jù)作物的實(shí)際需求合理灌溉，降低農(nóng)業(yè)投入成本，增加農(nóng)民收入。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉秀珍，鄭德聰，馬駿，等. 精確灌溉與施肥自動化管理系統(tǒng)的研制與實(shí)現(xiàn)[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2006（5）：197-200.

[2] 嚴(yán)昶. 灌溉施肥自動化控制系統(tǒng)研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[3] 鄧君麗. 智能施肥灌溉決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中師范大學(xué)，2006.

[4] 曹鋒，丁軍，王成芳. 計(jì)算機(jī)智能調(diào)度控制管理系統(tǒng)在節(jié)水灌溉中的研究與應(yīng)用[J]. 江蘇水利，2005（5）：12-13.

[5] 么麗麗. 基于PLC和MB+的灌溉施肥模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué)，2012.