智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李致瑩 陳潔儀 鄺賀賢 羅湘仁 邊新宇 曹惠茹

摘要：針對(duì)長(zhǎng)期外出無(wú)法及時(shí)照看作物的情況，借鑒現(xiàn)有的智能澆灌系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，以 STM322F103C8T6單片機(jī)為主控制器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以自動(dòng)定時(shí)澆灌的家用智能澆灌系統(tǒng)。系統(tǒng)同時(shí)搭載水壓系統(tǒng)、定時(shí)系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度和土壤濕度傳感器進(jìn)行參數(shù)的采集和感知，采用WiFi方式進(jìn)行通信。另外，基于 Android智能平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 App移動(dòng)用戶端，具有操作界面簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示與記錄植物和種子狀態(tài)，并可以進(jìn)行溫度、濕度、天氣和風(fēng)向的實(shí)時(shí)獲取，還可以在無(wú)人照看或長(zhǎng)期外出的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)澆灌功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、運(yùn)行成本低且易于實(shí)現(xiàn)，軟件安全便捷、操作簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)澆灌裝置;定時(shí);單片機(jī);Android;傳感器

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0208-04

Design and Implementation of Intelligent Irrigation System

Li Zhiying，Chen Jieyi，KuangHexian，Luo Xiangren，BianXinyu，Cao Huiru※

（Guangzhou Institute of Technology， Guangzhou 510900， China）

Abstract： In view of not being able to take care of crops in time when going out for a long time， drawing on the advantages of the existing intelligent irrigation system， STM322F103C8T6 single-chip microcomputer was used as the main controller to design and implement a household intelligent irrigation device system which could automatically and regularly irrigate. The system was equipped with water pressure system， timing system， environmental temperature and humidity sensor and soil humidity sensor for parameter acquisition and sensing. In addition， an App mobile client based on Android platform was designed and implemented， which had the characteristics of simple interface and convenient use， and could realize the real-time monitoring， displaying and recording of the status of plants and seeds， and could be temperature， humidity， weather and wind direction of real-time access， but also in the absence of care or long-term out of the case of automatic timing irrigation function. Testing shows that the system has the advantages of simple hardware structure， convenient installation， low running cost and easy realization， convenient software security， simple operation and so on.

Key words： automatic pouring device; timing; MCU; Android; sensors

0 引言

隨著生活水平的提高，人們的居住和生活環(huán)境得到了很大的改善，對(duì)于生活質(zhì)量的追求也越來(lái)越高。因此，越來(lái)越多的人選擇在家里、花園種植各種蔬菜花果。然而，大多數(shù)人工作比較繁忙，有時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間出差，導(dǎo)致蔬菜花果無(wú)法得到及時(shí)的澆灌和照看，影響其正常生長(zhǎng)、枯萎。此外，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和水資源的日益匱乏，自動(dòng)澆灌系統(tǒng)便受到廣大科研者的青睞。王有春，陳威等[1-2]針對(duì)農(nóng)田的畦壟澆灌控制問(wèn)題，水稻不同生長(zhǎng)發(fā)育周期的水需求量生物學(xué)知識(shí)，合理運(yùn)用自動(dòng)化控制水泵，進(jìn)而讓處于不同生長(zhǎng)周期的水稻需水量得到滿足，提出了一種新型智能自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案;康云川[3]主要針對(duì)目前家庭花卉傳統(tǒng)栽培存在智能程度不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)、性能差、安全性低、成本高等弊端，無(wú)法遠(yuǎn)程澆灌的問(wèn)題，研制了一種基于 Raspberry Pi （樹莓派）開發(fā)板與阿里云 IoT （Internet of Things）平臺(tái)的家庭花卉智能澆灌系統(tǒng);侯偉等[4-5]以單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合傳感器和計(jì)算機(jī)，搭建了一套智能化的澆灌系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了友好的用戶交互界面，實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示與記錄等功能，并由主控芯片進(jìn)行澆灌;廖希杰，王承林等[6-7]以節(jié)約用水為目的，使用單片機(jī)、 DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、電磁閥控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、按鍵和光電報(bào)警系統(tǒng)等電路組成智能澆灌系統(tǒng);盧超等[8]基于 STM32和 STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)一種分布式無(wú)線自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的智能化，系統(tǒng)包括一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)，土壤溫濕度檢測(cè)模塊和電磁閥澆灌模塊與從機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送及處理功能，以繼電器控制電磁閥工作，通過(guò)開關(guān)水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌，從機(jī)個(gè)數(shù)可根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的需求進(jìn)行擴(kuò)展，顯示模塊和報(bào)警模塊與主機(jī)相連，完成數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示及報(bào)警功能。主從之間采用 NRF905模塊進(jìn)行無(wú)線通信，構(gòu)成“一對(duì)多”的通信網(wǎng)絡(luò);張展赫翔，邱意敏等[9-10]針對(duì)家中栽養(yǎng)的花草由于人們出遠(yuǎn)門無(wú)人照顧而枯萎的現(xiàn)狀，以及目前灌溉系統(tǒng)存在的灌溉用水利用率低、浪費(fèi)人力和易灌溉過(guò)量等缺點(diǎn)，采用分布式無(wú)線自動(dòng)澆灌系統(tǒng)，基于 UWB 定位技術(shù)和模糊控制理論，有效地解決傳統(tǒng)灌溉體系中低效率，用水量的智能控制的智能灌溉系統(tǒng);曾澤良等[11]基于 ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光照強(qiáng)度信息，由管理決策系統(tǒng)自動(dòng)控制或人為控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的人工智能轉(zhuǎn)變;郭紫照[12]設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的智能節(jié)水澆灌控制器系統(tǒng)，可以對(duì)土壤的濕度進(jìn)行檢測(cè)分析和處理，該系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于系統(tǒng)體積小，靈活性強(qiáng)，易于操作，抗干擾性強(qiáng)，性價(jià)比高，具有較好的推廣價(jià)值。

以上研究盡管從不同角度進(jìn)行分析，解決了部分智能化澆灌的問(wèn)題，也解決了人們長(zhǎng)期外出的困擾，但是存在運(yùn)行成本高、用戶端操作不便等缺點(diǎn)。因此，本文基于單片機(jī)系統(tǒng)，采用WiFi通信方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于 Android系統(tǒng)的用戶端軟件，硬件成本低、操作簡(jiǎn)單。

1 自動(dòng)澆灌系統(tǒng)原理

澆灌系統(tǒng)主要由儲(chǔ)水盒、抽水管、作物種植 PVC裝置、水泵和定時(shí)裝置幾部分組成，定時(shí)裝置中有電源、控制系統(tǒng)以及水位傳感器，水位傳感器設(shè)在儲(chǔ)水盒的蓋子內(nèi)部，儲(chǔ)水盒的一個(gè)側(cè)面設(shè)置著出水口，另一個(gè)側(cè)面設(shè)置著與澆灌軟管連接的出水端。澆灌軟管的出水端口是密封的，利用水泵壓力將營(yíng)養(yǎng)液上壓至種植管中，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)過(guò)每根種植管，就會(huì)再次流入到水箱中，如此循環(huán)，如圖1所示。在種植裝置中的植物根部，既可以吸收空氣中的氧氣，也可以吸收管中的營(yíng)養(yǎng)成分，以茁壯成長(zhǎng)。

水泵由馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)葉片構(gòu)成，抽水時(shí)把進(jìn)水管安裝在水箱，并打開電源，控制系統(tǒng)讓水泵開始運(yùn)行并將水抽進(jìn)種植管中;當(dāng)儲(chǔ)蓄盒中的水達(dá)到一定高度時(shí)，蓋子內(nèi)側(cè)的水位傳感器就會(huì)把信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再反饋停止運(yùn)輸信號(hào)給水泵，水泵就會(huì)立即停止送水工作。

給植物澆灌時(shí)，要提前把澆灌軟管插入到泵口入水處，使用軟管夾固定澆灌軟管。由于不同植物所需的溫度和濕度不一樣，因此根據(jù)植物的特性將相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，通過(guò)安裝在植物旁的溫度傳感器、濕度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)收到信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際需求打開出水控制閥門，水就從出水端口進(jìn)入澆灌軟管，澆灌軟管的端口是密封的，因此水會(huì)在壓力作用下而向上引流，在第一層的分流端口中，流入兩端的澆灌白管中，然后植物的根部會(huì)觸及營(yíng)養(yǎng)液，同時(shí)在陽(yáng)光的照射下正常生長(zhǎng)。若需要長(zhǎng)時(shí)間外出時(shí)，只需要把澆灌軟管的入水口放置在水中，并保證儲(chǔ)水盒中水是滿的，在控制端將植物所需的數(shù)據(jù)設(shè)置好，就可以依據(jù)傳感器檢測(cè)的結(jié)果給植物進(jìn)行澆灌，水流會(huì)自動(dòng)流向下一層，后將多余的水分通過(guò)最低的出水口流出，保證水的新鮮和水分的合理化。其工作原理如圖2所示。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)決定是否開啟自動(dòng)灌溉，若開啟，則接著判斷當(dāng)前是否開啟夜間模式，若是，則接著判斷當(dāng)前時(shí)間是否處于夜間模式，若在夜間模式則結(jié)束自動(dòng)灌溉;當(dāng)前若不在夜間，則檢查當(dāng)前時(shí)間與上次澆灌時(shí)間的間隔是否大于等于預(yù)設(shè)間隔，若是，則將當(dāng)前時(shí)間寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并開啟水泵，然后將澆灌結(jié)束的時(shí)間計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，澆灌結(jié)束。

2 自動(dòng)澆灌硬件系統(tǒng)

本硬件系統(tǒng)由主控制板、水泵、繼電器、溫濕度傳感器、PVC管、輸送的透明塑料軟管和若干導(dǎo)線組成，主控制板與水泵分別通過(guò)電源適配器接入到家用220 V 線路中，繼電器則與主控制板5 V 引腳相連。土壤溫濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)以 STM322F103C8T6單片機(jī)為核心板，通過(guò)軟件設(shè)置達(dá)到具體控制效果的實(shí)現(xiàn)。土壤的溫濕度檢測(cè)由 DS18B2傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，并通過(guò)單片機(jī)的 I/O 端口將檢測(cè)到的土壤溫濕度參數(shù)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)顯示在2.4寸 TFT 彩屏上。同時(shí)，如果系統(tǒng)在智能澆灌設(shè)置模式下，則該值與設(shè)定的澆灌上下閾值進(jìn)行比較，若低于下閾值，則單片機(jī)通過(guò)各個(gè)采集信號(hào)量對(duì)應(yīng)的閾值來(lái)控制相應(yīng)的關(guān)鍵開關(guān)打開，開始提高水壓限度。若高于上閾值時(shí)，單片機(jī)再發(fā)出一個(gè)信號(hào)控制開關(guān)關(guān)閉，打開對(duì)應(yīng)閾值閥門，并減小水壓。若該系統(tǒng)設(shè)置在手動(dòng)澆灌情況下，則按照設(shè)定好的定時(shí)澆灌時(shí)間以及澆水量進(jìn)行澆灌，DS18B2將檢測(cè)到的土壤溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)?TFT 彩屏上顯示，以達(dá)到對(duì)土壤溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

與其他智能澆灌方法相比，本系統(tǒng)可以通過(guò)設(shè)置鍵選擇開啟模式。手動(dòng)澆灌是由主控制器來(lái)實(shí)時(shí)讀取芯片 DS1302的狀態(tài)值，再與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若小于閾值，則蜂鳴器報(bào)警通知用戶進(jìn)行澆灌;智能澆灌則是將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舳?，根?jù)植物含水量的狀態(tài)來(lái)控制水泵的開啟與關(guān)閉。硬件連接實(shí)物如圖4所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的開發(fā)是基于 Android平臺(tái)的智能設(shè)備，采用 MVC （Model 數(shù)據(jù)層、View 界面層、Control 控制層）架構(gòu)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)層主要為界面層和控制層提供數(shù)據(jù)，處理控制層傳遞過(guò)來(lái)的參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后再寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)，并將處理結(jié)果返回給控制層。同時(shí)還與 View 存在一定的耦合，通過(guò)事件機(jī)制通知顯示狀態(tài)的改變來(lái)更新顯示界面;界面層負(fù)責(zé)視圖上數(shù)據(jù)的采集和用戶請(qǐng)求的處理，將用戶界面的請(qǐng)求和輸入傳遞給數(shù)據(jù)層和控制層;控制層由View根據(jù)用戶行為觸發(fā)并響應(yīng)來(lái)自顯示層的用戶交互，然后根據(jù)具體事件邏輯來(lái)修改對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

軟件系統(tǒng)由3部分組成：種子列表、植物列表和環(huán)境設(shè)置。當(dāng)用戶打開軟件時(shí)，直接跳轉(zhuǎn)到種子列表中的當(dāng)前植物頁(yè)面，如圖5所示。

種子管理：用戶可以在該模塊中添加、刪除、修改、查看當(dāng)前種植中的種子信息，包括植物名稱、種植時(shí)間、是否成熟等。在確保植物能夠正常生長(zhǎng)的前提下，提示用戶要在成熟期內(nèi)采摘植物或果實(shí)。對(duì)于已收獲的植物也可以以列表的形式進(jìn)行查看。

植物管理：在該模塊中，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況添加新的植物，并設(shè)置好該植物的生長(zhǎng)周期，以便于進(jìn)行及時(shí)的收割;也可以對(duì)現(xiàn)有植物的各項(xiàng)信息進(jìn)行查看、修改、刪除，如圖6所示。

環(huán)境設(shè)置：用戶在安裝本系統(tǒng)的 App后，通過(guò)手機(jī)打開WiFi熱點(diǎn)與本系統(tǒng)中的主控制板進(jìn)行連接，再設(shè)置是否開啟、關(guān)閉自動(dòng)澆灌和清空澆灌記錄，修改澆灌間隔時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。同時(shí)也可以獲取當(dāng)?shù)氐奶鞖庑畔?，包括：溫度、濕度、風(fēng)向、天氣等相關(guān)信息，如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，農(nóng)田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)大多是大面積的適用范圍，而本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)則是適用于家庭的裝置，不需要過(guò)大的占地面積，也不需要復(fù)雜的操作，用戶可以輕松上手、簡(jiǎn)單操作，從而使得人們的生活水平越來(lái)越高。進(jìn)而，本系統(tǒng)可采用自動(dòng)化的澆灌設(shè)置，省去每日手動(dòng)操作的煩惱，只需要第一次將裝置安插在需要澆灌的植物中心，不管是出水量，還是出水時(shí)間，出水方式，都采用自動(dòng)可控的方式進(jìn)行設(shè)置讓植物得到充足的水分。用戶只需在手機(jī)上安裝簡(jiǎn)易的 App就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，便可以維護(hù)好一小片屬于自己的后花園，更不會(huì)因出差或繁忙工作無(wú)法及時(shí)照管，導(dǎo)致植物枯萎。這樣不但節(jié)省人力和時(shí)間，還便于根據(jù)自己的喜好和工作安排進(jìn)行智能化的澆灌。

參考文獻(xiàn)：

[1]王有春，龐慧，屈建平.農(nóng)田智能澆灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（3）：1760-1761.

[2]陳威，林超倫，徐啟明，等.基于 ZigBee水稻自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2019（14）：132-133.

[3]康云川.基于 Raspberry Pi的家庭花卉智能澆灌系統(tǒng)[D].重慶：重慶三峽學(xué)院，2020.

[4]侯偉， 江濤， 張小潔，等.基于單片機(jī)的小型自動(dòng)澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2019，37（5）：36-39.

[5]付春麗，郭恩康，劉文博.基于 AT89C51的智能可操控澆灌系統(tǒng)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2021（5）：177-178.

[6]廖希杰， 宋晨，王會(huì)虎，等.智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（8）：51-52.

[7]王承林，王曉鳳，劉清華，等.智能澆灌控制管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].

邢臺(tái)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，32（2）：174-176.

[8]盧超，潘宏利，盧進(jìn)軍，等.分布式無(wú)線自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（7）：133-140.

[9]張展赫翔，徐宇豪.基于 UWB定位的家用智能澆花機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代物業(yè)（中旬刊），2018（7）：58.

[10]邱意敏，李煒，欣龍，等.基于模糊控制的智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，35（2）：73-77.

[11]曾澤良，郭金星，藍(lán)潘生，等.基于 ZigBee的遠(yuǎn)程智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2018，15（13）：52-53.

[12]郭紫照， 羅泰，夏玉，等.基于WiFi的可視化自動(dòng)節(jié)水澆灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2019（1）：41-42.

第一作者簡(jiǎn)介：李致瑩（2001-），女，研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

※通訊作者簡(jiǎn)介：曹惠茹（1981-），女，陜西渭南人，碩士研究生，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、大數(shù)據(jù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等，已發(fā)表論文50篇。

（編輯：王智圣）