分布式智能控制系統(tǒng)在蔬菜大棚灌溉中的應(yīng)用

薛良儒　魏峰

摘要 該系統(tǒng)主要采用Atmel 公司的ATmega16單片機(jī)作為微控器，利用溫度傳感器、濕度傳感器、墑情檢測(cè)傳感器對(duì)大棚內(nèi)溫度、濕度及土壤墑情狀況進(jìn)行檢測(cè)，然后將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上進(jìn)行分析，當(dāng)需要進(jìn)行灌溉時(shí)，服務(wù)器發(fā)送控制命令控制繼電器的開關(guān)與閉合，完成灌溉任務(wù)。該系統(tǒng)采用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)通信方式，可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的條件下進(jìn)行灌溉。

關(guān)鍵詞 智能灌溉；ATmega16單片機(jī)；串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）20-353-03

Abstract This system mainly uses Atmel companys ATmega16 chip as the microcontroller. The sensors of temperature and humidity and moisture sensors are used to detect the temperature and humidity in greenhouse and soil moisture. Then， the terminal equipment send the data to the server and analyze the data. When the greenhouse is needed to irrigated， the server sends a control command to control relay to irrigate. The system uses the communication mode the serial changed to Ethernet. It can work in the places with network.

Key words Intelligent irrigation； ATmega16 single chip microcomputer； Serial to thernet

我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。目前，世界塑料大棚和溫室面積約為36.576萬hm2，而我國(guó)面積最大，我國(guó)塑料大棚和溫室的建設(shè)面積已經(jīng)從20世紀(jì)90年代初的約40 hm2發(fā)展到現(xiàn)在的近15.67萬hm2，占全世界的42.8%。設(shè)施農(nóng)業(yè)同普通農(nóng)業(yè)相比，其產(chǎn)業(yè)化程度高，效益好，接受新技術(shù)的能力強(qiáng)；新灌溉控制器的應(yīng)用使得水資源的利用更加充分，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了勞動(dòng)力，加上科學(xué)合理的灌溉策略，對(duì)作物增產(chǎn)增收起到了一定作用。

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，新沂市設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平得到了逐步提高，當(dāng)前溫室大棚是最為突出的設(shè)施農(nóng)業(yè)代表。因此提高溫室大棚的現(xiàn)代化水平是農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)的重要任務(wù)。灌溉是設(shè)施農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，所以結(jié)合大棚的種植需求，配套相應(yīng)的高效灌溉措施，以新沂市瓦窯鎮(zhèn)大棚節(jié)水灌溉示范基地為試點(diǎn)，研發(fā)配套節(jié)水、智能灌溉控制系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)水、節(jié)能、增效、省工目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

新沂市瓦窯鎮(zhèn)設(shè)施農(nóng)業(yè)試點(diǎn)主要是大棚，種植作物為葡萄，劃分為4個(gè)棚區(qū)，共計(jì)10.53 hm2；為減少大棚內(nèi)部的空氣濕度，灌溉設(shè)施主要為管道滴管，既能滿足葡萄的生長(zhǎng)，有利于自動(dòng)化控制，又能減少因濕度過高造成的爛果。

供應(yīng)水源為農(nóng)用機(jī)井，根據(jù)棚區(qū)的劃分，主管道為1條，支管道為4條，設(shè)置4個(gè)電磁閥門，作為主管道向支管道供水的公職閥門，灌溉方式為2組輪灌。

1.2 自動(dòng)化控制方案布局

分布式智能灌溉控制系統(tǒng)主要采用最基本的星形網(wǎng)絡(luò)使服務(wù)器與終端設(shè)備進(jìn)行通信[1]。如圖1所示，每個(gè)大棚中的終端控制柜通過光纖連接到交換機(jī)端口，交換機(jī)然后與服務(wù)器直接進(jìn)行相連，以達(dá)到上位機(jī)對(duì)終端設(shè)備的控制及對(duì)終端設(shè)備的信息讀取。

控制柜的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，控制柜不僅接收服務(wù)器發(fā)送的命令控制電磁閥的通斷，而且還將控制柜中溫度傳感器、濕度傳感器、電磁流量計(jì)和墑情檢測(cè)傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上?？刂乒裰饕ㄏ到y(tǒng)供電電路、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理電路數(shù)據(jù)采集電路、控制驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)交互電路和數(shù)據(jù)通信電路6個(gè)部分組成[2]。系統(tǒng)供電電路為整個(gè)系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)進(jìn)行工作；然后，單片機(jī)將所采集的大棚內(nèi)溫度與濕度信號(hào)、墑情信號(hào)和流量計(jì)流量經(jīng)過處理后，通過數(shù)據(jù)通信電路傳輸?shù)椒?wù)器上；當(dāng)上位機(jī)向終端設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)通信電路讀取到相應(yīng)命令后，通過控制驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥的開關(guān)與閉合，從而實(shí)現(xiàn)灌溉功能；最后，當(dāng)工人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)，可以通過人機(jī)交互電路選擇就地功能，斷開遠(yuǎn)程操作功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器模塊電路

分布式智能灌溉系統(tǒng)的主控芯片選用的是Atmel公司的ATmega16單片機(jī)[3]（圖2）。ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

2.2 電源電路

電源電路是將220 V交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的、符合系統(tǒng)要求的直流電電路。電源電路如圖3所示。該電路主要由3個(gè)部分組成，即變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路。變壓器主要是線圈式并帶有絕緣隔離的功率變壓器，這種變壓器安全可靠，輸出電壓穩(wěn)定。整流濾波電路采用的是橋式整流電路，橋式整流電路利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，然后通過容量不同的電容元件濾除電流中不符合規(guī)定的高低頻交流電。穩(wěn)壓電路采用的是1款三端穩(wěn)壓集成電路LM7805，僅需極少的外圍元件就可使用，并且它的內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

該系統(tǒng)對(duì)電磁閥和電磁流量計(jì)的控制是采用繼電器控制方式。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸電簧片等組成，當(dāng)在線圈兩端加上一定的電壓時(shí)，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合，使電磁閥和流量計(jì)工作。線圈斷電，電磁力消失，停止工作。

由于繼電器的驅(qū)動(dòng)電流一般需要20～40 mA，并且也存在一定的線圈電阻，單片機(jī)的I/O口不具有那么大的驅(qū)動(dòng)能力，所以需要增加繼電器驅(qū)動(dòng)電路。該系統(tǒng)采用的是ULN2003高壓大電流達(dá)林頓管，它具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過單片機(jī)I/O口的控制可以最多得到7路大功率輸出。

2.4 傳感器選型 該系統(tǒng)中所使用的傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、墑情監(jiān)測(cè)傳感器。溫度與濕度傳感器采用的是DHT11數(shù)字溫度與濕度傳感器，它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)及溫度與濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的穩(wěn)定性。傳感器主要包括1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件。二氧化碳傳感器采用的是COZIRP超低功耗探頭，它是紅外二氧化碳傳感器，COZIR功耗低，通過非色散紅外吸收方式進(jìn)行二氧化碳濃度的測(cè)量，測(cè)量精度高。墑情監(jiān)測(cè)傳感器主要包括土壤水分傳感器和土壤溫度傳感器2個(gè)部分，具有測(cè)量精度高、相應(yīng)速度快的特點(diǎn)，且功耗僅為0.8 mA，可以直接埋入土壤中。

2.5 通信電路

無線通信模塊主要采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的多功能串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。它用來將 TCP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或 UDP 數(shù)據(jù)包與RS232接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)透明傳輸?shù)脑O(shè)備，其功耗低，搭載 ARM 處理器[4]，速度快，穩(wěn)定性高，通信電路見圖5。

這是一款多功能以太網(wǎng)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，它內(nèi)部集成了 TCP/IP 協(xié)議棧， 用戶利用它可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能， 節(jié)省人力、物力及開發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng)， 增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力。模塊集成 10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，串口通信最高波特率高達(dá) 1 024 kbps，具有 TCP Server、TCPClient、UDP、Httpd Client、TCPAuto、WEB to Serial 等工作模式[5]，可通過網(wǎng)頁或軟件輕松配置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

分布式智能灌溉控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)首先應(yīng)能夠通過上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀消息，并按照指定的通信協(xié)議解析命令幀和狀態(tài)幀，單片機(jī)按照相關(guān)命令控制電磁閥的打開與閉合，同時(shí)將電磁閥的狀態(tài)傳送到服務(wù)器上。同時(shí)，單片機(jī)將溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器和墑情檢測(cè)傳感器所采集的數(shù)據(jù)，通過串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊傳送到以太網(wǎng)上，服務(wù)器根據(jù)相關(guān)終端ID對(duì)每個(gè)終端的傳感器傳送的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并且在服務(wù)器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

整個(gè)智能灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思路主要采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)分為主程序模塊、溫度與濕度傳感器模塊、墑情檢測(cè)傳感器模塊、二氧化碳模塊、繼電器模塊、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊。服務(wù)器控制終端設(shè)備工作流程如圖6所示。

當(dāng)設(shè)備上電時(shí)，首先是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，當(dāng)上位機(jī)向終端設(shè)備發(fā)送命令時(shí)，單片機(jī)判斷是否進(jìn)入中斷接收狀態(tài)，此時(shí)如果進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，則計(jì)算所接收到的數(shù)據(jù)楨的長(zhǎng)度，然后對(duì)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度及校驗(yàn)碼與預(yù)先設(shè)計(jì)的進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)成功則說明接收數(shù)據(jù)正確，比對(duì)失敗則丟棄數(shù)據(jù)包，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)包接收。終端設(shè)備數(shù)據(jù)上載流程如圖7所示。

首先終端設(shè)備進(jìn)行上電，然后分別讀取當(dāng)前機(jī)柜工作模式、當(dāng)前機(jī)柜工作狀態(tài)、電磁閥工作狀態(tài)以及傳感器數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后在數(shù)據(jù)包上加上幀頭、幀尾和校驗(yàn)幀，通過發(fā)送端口發(fā)送到以太網(wǎng)上，上位機(jī)在以太網(wǎng)上讀取到數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確在上位機(jī)上進(jìn)行狀態(tài)顯示。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)在新沂市瓦窯葡萄大棚的灌溉控制中得到了應(yīng)用，1年來運(yùn)行良好，配套管帶滴管可以大大節(jié)約大棚的用水量，還可以通過溫度傳感器、濕度傳感器對(duì)大棚內(nèi)溫度與濕度進(jìn)行檢測(cè)及墑情檢測(cè)傳感器對(duì)土壤墑情進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚灌溉的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)是交互式控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)灌溉控制操作與遠(yuǎn)程電磁閥控制操作灌溉相互結(jié)合、相互補(bǔ)充，且上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視大棚內(nèi)溫度、濕度、土壤墑情狀況及電磁閥工作模式和工作狀態(tài)，可及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

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