基于單片機(jī)的花卉物流實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

花卉物流是以花卉運(yùn)輸為主體的物流活動，根據(jù)用戶的實(shí)際要求，將花卉從所供應(yīng)的地點(diǎn)經(jīng)過一系列的措施流動到接收地點(diǎn)的過程[1]。隨著我國花卉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，花卉物流業(yè)已經(jīng)與傳統(tǒng)物流業(yè)逐漸分離成為一個(gè)獨(dú)立的物流行業(yè)。隨著電子商務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益完善與成熟，花卉物流產(chǎn)業(yè)蒸蒸日上[2-3]。

然而花卉物流發(fā)展并不順利，如今花卉物流依然是制約花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。物流運(yùn)輸過程中對花卉土壤水分含量的監(jiān)測管理，進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉，從而滿足長途物流運(yùn)輸過程中花卉所需土壤濕度變得愈發(fā)重要。因此如何使花卉運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測與管理方式變得簡單可靠，成為花卉物流產(chǎn)業(yè)管理者面臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[4-12]。

當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)出一套更完善的花卉物流保障系統(tǒng)，對花卉物流運(yùn)輸過程中土壤濕度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并為花卉進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉提供便利條件，從而降低花卉在物流運(yùn)輸過程中的損耗[13]。為此本文應(yīng)用具有數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力的STC89C52RC 單片機(jī)作為控制核心，開發(fā)設(shè)計(jì)一款新型花卉物流實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)，對物流運(yùn)輸過程中的花卉土壤進(jìn)行濕度監(jiān)測，從而按照預(yù)設(shè)適宜濕度對花卉進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉，最終能夠?qū)崿F(xiàn)減少物流運(yùn)輸過程中花卉損耗、提高花卉運(yùn)輸成活率、降低運(yùn)輸成本的目的。

1 系統(tǒng)功能簡介

花卉物流實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)是利用傳感器采集數(shù)據(jù)，再用單片機(jī)控制的智能灌溉系統(tǒng)，包括土壤濕度采集、控制系統(tǒng)和顯示模塊，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過程中花卉的自動灌溉，提高了花卉的成活率。傳感器檢測到的濕度參數(shù)傳到單片機(jī)芯片上，通過軟件把參數(shù)值顯示到顯示屏上。通過單片機(jī)把傳感器收集的土壤濕度參數(shù)和設(shè)定的值作比較，判斷是否超過設(shè)定值，以此判斷是否需要澆水，如果顯示需要澆水，控制系統(tǒng)驅(qū)動水箱閥門澆水，如果不需要，則跳過驅(qū)動程序，進(jìn)行循環(huán)采集、傳輸和比較，直到需要澆水。顯示器顯示的是當(dāng)前土壤濕度值。

本系統(tǒng)主要由新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置以及軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成。新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置對運(yùn)輸花卉的土壤濕度信息進(jìn)行監(jiān)測采集和顯示，同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的適宜濕度調(diào)整水箱閥門對運(yùn)輸花卉進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉，從而達(dá)到適宜運(yùn)輸狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、子模塊初始化、濕度讀取及顯示，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)按鍵掃描功能，濕度處理判斷功能和水箱閥門控制功能等。

2 硬件設(shè)計(jì)

新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置主要由控制核心STC89C52RC 單片機(jī)、土壤濕度傳感器ofc-28、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊A/D 轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)3 位LED 顯示模塊，3個(gè)獨(dú)立按鍵作為輸入模塊、水箱以及供電模塊所組成，其裝置組成如圖1所示。

圖1 新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置組成

2.1 土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度傳感器ofc-28由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測和在線測量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測或移動測量的工具對土壤容積含水量進(jìn)行測量，主要用于土壤墑情檢測以及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。濕度傳感器基片上覆蓋了一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)盆栽土壤中的水分子吸附在感濕膜上時(shí)，感應(yīng)原件的電阻率和電阻值都會發(fā)生相應(yīng)變化，傳感器通過線路元件電阻值的差異來反映土壤不同濕度值[14]。濕度傳感器輸出的信號與A/D處理器相連，能夠獲得更加精確的數(shù)值。當(dāng)濕度傳感器檢測到濕度發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部對濕度敏感電容的大小也會隨之變化，其值與環(huán)境的濕度成正比。相應(yīng)的值可以直觀地指示其濕度，并允許收集土壤濕度數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支持。濕度檢測電路原理圖如圖2所示。

圖2 濕度檢測電路原理圖

2.2 A/D處理器模塊

單片機(jī)能夠直接識別和處理的是數(shù)字信號，而傳感器輸出的是模擬信號，為了讓信號能夠被單片機(jī)處理，需要增加A/D轉(zhuǎn)換器。A/D處理器連接單片機(jī)，轉(zhuǎn)換單片機(jī)輸出的濕度信號為電信號，并生成數(shù)值。A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)字信號的元件。濕度傳感器輸出的就是電壓信號，A/D 轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為可供識別的數(shù)字信號，選擇植物生長的最小土壤濕度作為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)值量則表示輸入信號相對于參考信號的大小[15]。本系統(tǒng)采用ADC0832 型號的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ADC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。它體積小，兼容性好，性價(jià)比高。ADC0832 微控制器是一個(gè)帶串行接口的8位A/D轉(zhuǎn)換器。由于具有雙重?cái)?shù)據(jù)輸出功能，因此可以減少數(shù)據(jù)校準(zhǔn)期間的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，轉(zhuǎn)換速度快，并且穩(wěn)定性高。A/D處理器接口電路如圖3所示。

圖3 A/D處理器電路

2.3 按鍵模塊

按鍵模塊采用獨(dú)立式鍵盤，采用軟件方式消抖，共設(shè)置3 個(gè)按鍵，使用3 個(gè)按鍵分別控制閾值的上升、下降、確認(rèn)。點(diǎn)按UP 一下，預(yù)設(shè)閾值就會上升1%；點(diǎn)按DOWN 一下，預(yù)設(shè)閾值就會下降1%；點(diǎn)按OK，確認(rèn)預(yù)設(shè)閾值，使單片機(jī)加載設(shè)定的閾值[16-17]。按鍵電路如圖4所示，按鍵的防抖功能由軟件實(shí)現(xiàn)。

圖4 按鍵電路

2.4 單片機(jī)模塊

單片機(jī)又稱單片微控制器，能夠把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為實(shí)驗(yàn)研究提供了便利條件。本裝置采用STC89C52RC型號的單片機(jī)作為系統(tǒng)主體，該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，結(jié)構(gòu)簡單，成本低且體積較小。

單片機(jī)的STST86C52RC 的9 號引腳RST 是單片機(jī)復(fù)位端口，且單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位過程的必要條件是操作期間高電平會通過RST 端口，而更高的電平必須大于兩個(gè)周期，復(fù)位電路如圖5 所示。復(fù)位后，CPU可以從程序的存儲器中啟動外部復(fù)位電路。當(dāng)操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以通過執(zhí)行復(fù)位來重啟單片機(jī)。由于單片機(jī)需要通過RS232 和上位機(jī)通訊，因此需要增加串口控制單元，單片機(jī)控制串口電路如圖6所示。

圖5 單片機(jī)的復(fù)位電路

圖6 單片機(jī)的總控制電路

2.5 顯示器模塊

液晶顯示器的顯示通過液性原理來實(shí)現(xiàn)，使得電壓能夠在控制顯示區(qū)時(shí)，液晶就可以顯示圖像。液晶顯示器特別薄，能夠在大規(guī)模電路情況下直接被驅(qū)動運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)彩色顯示[18]。其中液晶顯示的流程如圖7所示。

圖7 液晶顯示流程圖

2.6 電源模塊

電源模塊為整個(gè)新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置提供所需的穩(wěn)定電壓，使得其他所有模塊能夠正常進(jìn)行工作，從而保障系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。由于其節(jié)能、高效、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)和環(huán)保等特點(diǎn)，所以電源模塊具有重要的應(yīng)用意義。

2.7 水箱閥門模塊

水箱閥門根據(jù)土壤濕度傳感器檢測收集到的土壤濕度數(shù)據(jù)由單片機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)濕度傳感器檢測到花卉土壤中濕度低于系統(tǒng)設(shè)置適宜濕度范圍的下限時(shí)，會及時(shí)反饋缺水信號，由單片機(jī)控制水箱的閥門打開，對該區(qū)域花卉進(jìn)行灌溉；當(dāng)濕度傳感器檢測到花卉土壤中濕度高于系統(tǒng)設(shè)置適宜濕度范圍的上限時(shí)，控制水箱閥門關(guān)閉。從而達(dá)到自動灌溉的目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置的軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、子模塊初始化、濕度讀取及濕度顯示，按鍵掃描，濕度處理判斷和水箱閥門控制，目的是使整個(gè)系統(tǒng)持續(xù)有效發(fā)揮作用。

具體流程為當(dāng)土壤濕度檢測器獲取濕度信號后，該信號傳遞給A/D 處理器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，由單片機(jī)對濕度傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析。當(dāng)濕度傳感器檢測到的濕度低于設(shè)置的適宜濕度范圍的下限時(shí)，由單片機(jī)控制水箱的閥門打開，對盆栽進(jìn)行灌溉，經(jīng)灌溉后，濕度傳感器監(jiān)測的濕度達(dá)到設(shè)置的適宜溫度范圍的上限時(shí)，單片機(jī)控制水箱的閥門關(guān)閉。軟件的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 下位機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

新型花卉實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)中的新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置可以安裝在用于花卉運(yùn)輸?shù)呢涇嚿?、暫時(shí)轉(zhuǎn)存貨物的倉庫里、流水線上的分揀機(jī)暫存區(qū)等位置，放置完成后，打開實(shí)時(shí)灌溉的裝置開關(guān)，通過顯示器上的功能選擇顯示，在按鍵模塊上操作輸入，點(diǎn)擊打開項(xiàng)目、運(yùn)行程序，進(jìn)入登錄頁面，輸入用戶名及密碼登錄成功后系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)到工作頁面，進(jìn)行信息窗口顯示，在此界面進(jìn)行設(shè)置及對運(yùn)輸花卉的濕度范圍進(jìn)行輸入進(jìn)行事先預(yù)置。

完成上述操作后，新型花卉實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)開始工作，當(dāng)進(jìn)行花卉運(yùn)輸、儲存時(shí)，系統(tǒng)將對土壤環(huán)境濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、采集和顯示，新型花卉實(shí)時(shí)灌溉裝置可根據(jù)不同情況自動對花卉進(jìn)行實(shí)時(shí)灌溉，從而實(shí)現(xiàn)花卉灌溉管理的自動化和智能化。

5 結(jié)語

新型花卉實(shí)時(shí)灌溉系統(tǒng)采用單片機(jī)為控制核心、協(xié)同土壤濕度傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、電源電路模塊、按鍵輸入模塊、水箱以及顯示器模塊，可以在物流運(yùn)輸過程中對花卉的土壤信息進(jìn)行監(jiān)測并實(shí)施自動灌溉，維持花卉的最佳生存環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)對花卉物流有效的管理，解決了傳統(tǒng)物流運(yùn)輸過程中出現(xiàn)水分短缺而導(dǎo)致盆栽死亡等損耗問題。