基于大棚作物的多路遠程灌溉控制系統(tǒng)設計

牛濤++王一涯++陳曙光

摘要 在利用大棚進行農(nóng)作物培育時，土壤濕度是影響其生長、發(fā)育的關鍵因素之一，因此對大棚進行多點土壤濕度檢測，根據(jù)各點土壤濕度對農(nóng)作物實現(xiàn)精準灌溉顯得尤為重要。本文設計了一種基于單片機的土壤多點灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中選用SM2801B土壤水分傳感器作為測量土壤濕度元件，以STM32F429單片機為控制核心，進行多點土壤濕度檢測并以電磁閥為執(zhí)行元件實現(xiàn)農(nóng)作物的定點灌溉。同時，通過串口與PC機進行通信，并以VB編寫的上位機界面將各點土壤濕度以曲線的形式顯示出來，通過上位機界面進行遠程定點灌溉操作。

關鍵詞 SM2801b；灌溉控制系統(tǒng)；土壤濕度；VB；單片機

中圖分類號 TP368.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）02-0147-02

Design of Multiple Remote Irrigation Control System Used in Greenhouse Crop

NIU Tao 1 WANG Yi-ya 2 CHEN Shu-guang 3 WANG Xian-ju 3 *

（1 Fuyang Xinniu Agricultural Technology Co.，Ltd.，F(xiàn)uyang Anhui 236000； 2 Fuyang Chunjiang Agricultural Technology Co.，Ltd.；

3 Fuyang Normal University）

Abstract In the use of greenhouses for crop cultivation，soil moisture is one of the key factors affecting its growth.Therefore，through multi-point soil moisture detection of greenhouses，it is particularly important for crops to implement precision irrigation according to soil moisture of each point.This paper designed a kind of soil multi-point irrigation control system based on single chip microcomputer.SM2801B soil moisture sensor was chosen as the measured soil moisture components.STM32F429 was used as control core.Multi-point soil moisture detection and electromagnetic valve as executive element were used to realize fixed irrigation of crops.At the same time，communication was achieved through a serial port and PC.Soil humidity was displayed in the form of curve at various points in the PC interface of VB.Remote fixed-point irrigation operation was realized through the upper machine interface.

Key words SM2801b；irrigation control system；soil moisture；VB；MCU

環(huán)境因素的適宜與否對于大棚作物來說是首要考慮的問題，也是其需克服的關鍵技術之一，如果僅靠人工管理的方法是無法單獨實現(xiàn)的，必須要以現(xiàn)代科學技術作為輔助。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結合作物生長發(fā)育規(guī)律，來控制環(huán)境條件，從而使作物能達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的[1]。

土壤濕度是影響作物生長的重要因素之一，保證作物長期在一種適宜的土壤濕度環(huán)境下生長是設施農(nóng)業(yè)亟需解決的問題。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中采用統(tǒng)一灌溉方式，極易造成過量灌溉、不均勻灌溉，不但浪費了水資源，而且當灌溉量超過一定值時，還會影響作物生長[2-3]。本設計結合現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)和節(jié)水需求，設計了一套多路遠程可控灌溉系統(tǒng)，土壤濕度傳感器采集多點土壤濕度信息，上位機對數(shù)據(jù)進行分析處理，參照專家系統(tǒng)得出各點灌溉量的準確值，PC機將各點灌溉量發(fā)送下位機，下位機控制繼電器進行定點定量灌溉，既節(jié)水，又可為農(nóng)作物提供了穩(wěn)定的土壤濕度環(huán)境。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)整體結構設計

本系統(tǒng)以STM32F429單片機為控制中心，以多個SM-2801B土壤水分傳感器作為測濕元件對大棚內(nèi)多點土壤濕度進行測量，單片機對其土壤濕度數(shù)據(jù)進行分處理，并通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸給PC機以供遠程觀測。單片機將各點測量值與土壤濕度設定下限值進行比較，若實際土壤濕度值低于設定濕度的下限值，單片機輸出控制信號，控制繼電器打開電磁閥開始灌溉，直到土壤濕度達到預設濕度的上限值，停止灌溉[4-5]。單片機作為下位機，將處理過的土壤濕度數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機，并通過VB編寫的上位機界面以數(shù)值和曲線2種形式進行顯示，便于遠程土壤濕度觀察與分析。通過VB上位機界面能夠靈活地設置土壤濕度的上下限值，可應用于各種農(nóng)作物灌溉需求，還可以通過上位機遠程灌溉操作。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件部分主要由單片機STM32F429、多路土壤水分傳感器SM2801B、繼電器、多路選擇開關、電平轉換模塊和電磁閥等組成。在大棚里布置多個土壤水分傳感器，實現(xiàn)多點的土壤濕度測量，單片機通過控制多路選擇開關分時采集多個土壤濕度傳感器的測量值，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，一方面將處理后的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸給上位機，另一方面將處理過的數(shù)據(jù)與對應點設定的土壤濕度上下限值進行比較，根據(jù)比較結果決定是否觸發(fā)相應繼電器動作[6-7]。

1.2.1 土壤濕度測量電路。系統(tǒng)采用8個土壤水分傳感器SM2801B測量土壤濕度，傳感器輸出為RS485標準信號，因單片機為TTL電平，因此兩者要實現(xiàn)通信，中間要通過RS232/RS485/TTL轉換模塊[8-9]。由于單片機STM32F429串口資源有限，而各個傳感器通過電平轉換器都需要與單片機串口通信，所以為解決此問題，并減少轉換器使用數(shù)量，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，在傳感器和轉換器之間接入多路選擇開關。單片機與單個土壤濕度傳感器的電路連接圖如圖2所示。

1.2.2 繼電器模塊。本系統(tǒng)中的繼電器采用固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器是一種全電子電路組合的元件，它依靠半導體和電子元件的電、磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能，與傳統(tǒng)繼電器相比，無機械觸點，使用壽命長。

本系統(tǒng)繼電器控制電路如圖3所示，固態(tài)繼電器3、4端為直流輸入端，1、2端為交流輸出端，單片機引腳輸出高電平，NPN三極管便導通，12V直流電源加入到固態(tài)繼電器的輸入端，輸出端的開關閉合，電磁閥通電，開始工作。當PA0引腳輸出低電平時，輸入端電壓過低，輸出端的開關斷開，電磁閥停止工作。由此可見，通過單片機引腳輸出高低電平即可控制電磁閥通斷。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用單片機STM32F429為下位機，軟件開發(fā)環(huán)境為IAR，編程語言為C語言，采用模塊化編程思想。下位機程序主要有主程序、土壤濕度采集子程序、串口通信程序和繼電器控制子程序。當系統(tǒng)上電復位后，主程序開始運行，首先調(diào)用土壤濕度采集子程序，分時采集8路土壤濕度傳感器測量值，并對其進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲到對應數(shù)據(jù)存儲區(qū)，同時調(diào)用串口通信子程序?qū)?路土壤濕度值傳輸給PC機，在繼電器控制子程序里，單片機實時對各點采集的數(shù)據(jù)與相應點的設定土壤濕度上下限值進行比較，若測量值低于預設的土壤濕度下限值，單片機對應引腳輸出高電平，驅(qū)動繼電器執(zhí)行動作，打開電磁閥，開始灌溉，直到濕度達到設定的上限值，單片機引腳輸出低電平，關閉電磁閥，停止灌溉。單片機主程序流程如圖4所示。

2 結論

經(jīng)過硬件和軟件調(diào)試，通過上位機可完成對各點土壤濕度上下限值靈活設置，單片機分時采集8路土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并將實際測量值與與設定值進行比較，可實現(xiàn)定時測量和定量測量，達到精準灌溉的目的，對促進大棚作物高效、優(yōu)質(zhì)生長具有重要意義。

3 參考文獻

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