基于單片機的小型智能澆灌系統(tǒng)設計及應用

王 瑛，林樹德，唐上余，李派霞，韓文霆

(1.北部灣大學，廣西欽州 535000；2.武漢海王科技有限公司防城港分公司，廣西防城港 538000；3.西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100)

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們也對飲食安全健康的要求也隨之提高[1]。許多人為了給生活添加色彩，會種植花草用于觀賞，或者利用有限的空間(如陽臺、樓頂?shù)?種植一些花草蔬菜[2-4]。許多種花草蔬菜本身對水分有較高的要求[5]。在種植過程中如果不能對花草蔬菜進行合理有效澆灌，不僅會造成水資源的浪費，而且會造成花草蔬菜因澆灌不合理而導致生長緩慢甚至死亡[6]。許多學者對自動澆灌進行了研究，比如郭非凡[7]利用52單片機進行灌溉，周燕鷗等[8]利用可編程序控制器(PLC)進行設計，郭紫照等[9]利用WIFI傳輸?shù)姆绞竭M行灌溉系統(tǒng)設計。筆者以STC15W408單片機為核心，采用遙控方式進行灌溉。

該設計利用紅外遙控對交互界面進行參數(shù)設定，只需要用碼提取軟件對遙控碼進行提取，經(jīng)編程處理后，使用時遙控器要對著紅外接收頭。溫度傳感器的使用能夠有效避免因溫度過高時澆灌造成的植物根系損傷，從而造成植株代謝異常或者死亡的情況。自動澆灌模式有實時自動澆灌、定時自動澆灌2種方式，使用時可根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異選擇合理的澆灌方式。根據(jù)花草蔬菜的土壤溫度和濕度，對植物進行自動澆灌。自動灌溉不僅能節(jié)約水資源，而且能使花草蔬菜更好地生長。

1 系統(tǒng)設計方案

該方案是基于單片機設計的一種簡易自動澆灌系統(tǒng)，核心為單片機STC15W408。系統(tǒng)通過紅外遙控器進行人機交互操作，可對澆灌參數(shù)進行設定。通過溫度傳感器、濕度傳感器對土壤溫度、濕度進行實時或者定時監(jiān)測，并傳回單片機STC15W408，再由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，從而控制澆灌系統(tǒng)開啟或者關(guān)閉。除了手動澆灌外，自動澆灌系統(tǒng)有2種模式：一種為實時自動澆灌模式，另一種為定時自動澆灌模式。根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異等條件，系統(tǒng)選擇不同的模式。澆灌參數(shù)顯示界面由LCD1602液晶顯示器顯示，參數(shù)直觀可視。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意Fig.1 The working principle of the system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機選擇及電路設計該系統(tǒng)選用STC15系列的單片機，有STC15W104和STC15W408。STC15系列單片機具有成本低、能耗低、可靠度高等特點[10]，由于其內(nèi)置的RC振蕩器精度高、溫漂小并可多頻選擇，可滿足設計要求。該系統(tǒng)中主單片機STC15W408為20 腳貼片封裝，STC15W104為8腳貼片封裝。

主單片機STC15W408的1腳、2腳、13～18腳連接液晶顯示器LCD1602，主要用于控制系統(tǒng)參數(shù)的顯示。3腳、6腳連接三極管，數(shù)據(jù)處理后，給信號控制三極管的通斷，從而控制該部分電路的通斷，來控制繼電器的啟動停止，進而控制閥門的開啟與關(guān)閉。4腳作為連接STC15W104單片機總線，用于控制紅外遙控模塊；5腳為冗余設計；7腳、9腳連接時鐘芯片DS3231，用于斷電及初始化時自動更新時間、日期等參數(shù)；8腳為供電腳，接5 V的VCC，為單片機的供電來源；10腳接地；11腳、12腳為程序燒錄腳；19腳為溫度傳感器總線傳輸腳，20腳為濕度傳感器傳輸腳。上述為主單片機STC15W408的引腳情況。對于紅外遙控模塊單片機STC15W104，2腳供電，4腳接地；3腳連接液晶顯示器LCD1602，用于控制顯示器的亮度；5腳、6腳為總線，其中6腳為冗余設計；7腳連接紅外遙控的接收頭，在此處設計了一個由電容、電阻等構(gòu)成的退耦電路，其主要功能是消除閥門啟動及停止時電流波動對紅外模塊的影響，使得設備紅外遙控模塊功能更加穩(wěn)定；8腳接按鍵，可用于屏幕的點亮及定時器參數(shù)的復位。澆灌系統(tǒng)總電路圖如圖2所示。

圖2 澆灌系統(tǒng)總電路圖Fig.2 General circuit of the irrigation system

2.2 溫度傳感器溫度傳感器的使用過程中，當溫度過高時不適宜對植物進行澆灌，以免造成植物根系損傷，從而造成植株代謝異?；蛩劳?。該系統(tǒng)中使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器(圖3)進行溫度檢測。DS18B20溫度傳感器具有體積小、抗干擾能力強、精度高的特點，其可測溫范圍為-55～125 ℃，信號通過單總線即可傳輸[11]。該系統(tǒng)將該總線連接到STC15W408的P1.0口(即19腳)上進行通信，讀取實時溫度。通信過程如下：單總線上的所有通信都是從初始化序列開始，單片機輸出低電平時間，保持低電平時間至少480 μs，以產(chǎn)生復位脈沖。然后，主機釋放總線，10 K 的內(nèi)部上拉電阻將單總線拉高，延時15～60 μs，并進入接收模式(Rx)。DS18B20 拉低總線60～240 μs，以產(chǎn)生低電平應答脈沖，若為低電平，再延時480 μs 。寫時序包括寫0 時序和寫1 時序。所有寫時序至少需要60 μs，且2 次獨立的寫時序之間至少需要 1 μs 的恢復時間。2種寫時序均起始于主機拉低總線。寫 1 時序：主機輸出低電平，延時2 μs，然后釋放總線，延時60 μs 。寫0 時序：主機輸出低電平，延時60 μs，然后釋放總線，延時2 μs。單總線器件僅在主機發(fā)出讀時序時，才向主機傳輸數(shù)據(jù)。因此，在主機發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時序，以便從主機能夠傳輸數(shù)據(jù)。所有讀時序至少需要60 μs，且2 次獨立的讀時序之間至少需要 1 μs的恢復時間。每個讀時序都由主機發(fā)起，至少拉低總線 1 μs。主機在讀時序期間必須釋放總線，并且在時序起始后的15 μs內(nèi)采集總線狀態(tài)。

2.3 濕度傳感器濕度傳感器選擇電阻式濕度傳感器(圖3)，具有響應速度快、體積小、線性度好、靈敏度高等特點。濕度傳感器的工作原理是在吸濕和脫濕過程中傳感器電阻值發(fā)生了改變，達到測量濕度的效果，而該傳感器也是通過單總線進行信號傳輸。由于選取的溫度傳感器、濕度傳感器均為單一線形式傳輸信號，為了方便安裝使用，在電路上做了一個USB端簡易化連接設計，其中USB端的3腳接溫度感器，傳回單片機19腳，USB端的2腳連接的是濕度傳感器，傳回單片機20腳處。由于濕度傳感器探頭為電阻式探頭，因此在USB端的2腳設計了一個電阻值可調(diào)節(jié)的上拉電路，通過ADC采樣轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，傳輸回主單片機進行數(shù)據(jù)處理，其中可調(diào)電阻的作用是方便調(diào)試時取得合理的電阻值。

圖3 溫度及濕度傳感器Fig.3 Temperature and humidity sensor

2.4 遙控模塊設計系統(tǒng)通過紅外遙控器對溫度、濕度及定時器等進行設定，舍棄在機殼開孔的按鍵式想法，做好機殼密封，能夠盡量避免因環(huán)境影響造成的設備壽命縮短。紅外遙控模塊由紅外遙控器、紅外接收頭、定時器復位按鈕等構(gòu)成。電路設計中使用STC15W104單片機。STC15W104單片機的功能是對遙控器的輸入信號進行解碼并傳回主單片機STC15W408中，進行參數(shù)的設定。其中，紅外接收頭連接STC15W104單片機的7腳，復位按鍵連接8腳。STC15W104單片機的5腳、6腳作為總線傳輸信息。由于該系統(tǒng)只需要單向傳輸即可，因而目前只用STC15W104單片機的5腳作為總線信號，6腳暫時冗余。工作過程如下：當紅外遙控器發(fā)出信號，紅外接收頭接收到遙控器發(fā)出信號的編碼頭碼并識別，點亮LCD1602顯示器。屏幕點亮后，操作遙控器上的相關(guān)按鍵，對溫度、濕度、定時澆灌等參數(shù)進行設置。如果不選擇定時自動澆灌模式，在開機時通過顯示器側(cè)面的復位按鍵清空即可。此處需要獲得遙控器的編碼信號，通過一個碼提取軟件提取即可。

2.5 顯示模塊設計顯示模塊采用的是LCD1602液晶顯示器，而LCD1602是一款應用廣泛的字符型液晶顯示器[12]。在此次設計中，考慮到需要顯示溫濕度、當前日期、時間等參數(shù)，采用LCD1602顯示器，并通過程序設計了可翻頁操作，滿足了設計需求。屏幕的A腳、K腳可以控制屏幕的亮度。

參數(shù)由主單片機STC15W408通過并口通訊協(xié)議傳輸?shù)揭壕э@示器LCD1602進行顯示，在單片機的7腳、9腳上連接DS3231時鐘芯片。該芯片是一款高精度實時時鐘器件，能夠保存秒、時、分、星期、日期等信息。當澆灌系統(tǒng)初始化完成時，在LCD1602液晶顯示器上即可自動更新時間、日期等參數(shù)。溫度、濕度、時間等參數(shù)通過紅外遙控器進行設定，如圖4所示。

圖4 顯示界面示意Fig.4 The displayed interface

2.6 繼電器模塊該部分電路由三極管連接繼電器，通過單片機控制三極管的開關(guān)量來控制電路中繼電器的開關(guān)，從而控制閥門的開啟與關(guān)閉，從而達到控制澆灌的目的。閥門的輸入口接在水龍頭上，水龍頭為開啟狀態(tài)。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括土壤溫度檢測程序設計、土壤濕度檢測程序設計、紅外遙控程序設計、顯示器程序設計等。自動模式下有2種澆灌方式：一種為實時自動澆灌方式，另一種為定時自動澆灌方式。這2種澆灌方式在初始化完成后進行參數(shù)設定時即可選擇。實時自動澆灌方式會一直保持對土壤溫度、濕度的檢測，當參數(shù)滿足要求時即啟動閥門進行澆灌。如果選擇定時自動澆灌方式，澆灌系統(tǒng)會在達到澆灌時設定的時間段后才對溫度、濕度等參數(shù)進行采集處理，滿足條件時進行澆灌。該系統(tǒng)中設計了2種可選方式，主要考慮季節(jié)差異、地域差異、植物種類差異等因素的影響，用于選擇更合適的澆灌方式。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5～6所示。

4 澆灌系統(tǒng)安裝與應用

4.1 澆灌系統(tǒng)的安裝該系統(tǒng)中各個單元基本已經(jīng)模塊化，所以安裝起來也十分簡單方便。電路板件與顯示器安裝在機箱盒內(nèi)，留出供電口、USB接口、DC頭。閥門管輸入安裝在水龍頭上，水龍頭開啟，而閥門管輸出布置在澆灌系統(tǒng)上方。溫度、濕度傳感器埋于土壤內(nèi)即可。部分澆灌系統(tǒng)的安裝如圖7所示。

4.2 測試結(jié)果在澆灌系統(tǒng)測試時，準備了紅外測溫儀、濕度測量儀、熱風槍等工具，并準備了試驗土樣。該試驗采用實時自動澆灌模式，對溫度、濕度等參數(shù)進行設定，多次試驗結(jié)果與預測結(jié)果均一致，可見設計能滿足要求。測試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

筆者對自動澆灌系統(tǒng)的溫度傳感器、濕度傳感器進行USB端簡易化連接設計，通過設定溫度、濕度等參數(shù)進行處理。澆灌系統(tǒng)通過紅外遙控進行溫度、濕度等參數(shù)的設定，設定實時自動澆灌模式或定時自動澆灌模式，從而能夠根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異作出合理選擇。根據(jù)試驗要求，進行自動和手動澆灌試驗。

圖5 實時自動澆灌模式流程Fig.5 The flow of real-time automatic irrigation

圖6 定時自動澆灌模式流程Fig.6 The flow of timed automatic irrigation

圖7 灌溉系統(tǒng)安裝與應用Fig.7 The installation and application of the irrigation system

(1)利用紅外遙控器對交互界面進行參數(shù)設定，此過程涉及對遙控碼的提取，并對提取的遙控碼頭進行信號標記，提供可行的設計方法。使用時只需要將遙控器對著紅外接收頭，即可進行系統(tǒng)參數(shù)設定。

(2)溫度傳感器的使用能夠有效避免因溫度過高時澆灌造成的植物根系損傷，造成植株代謝異?；蛩劳?，有效保障了植物的正常生長。

表1 澆灌系統(tǒng)部分測試結(jié)果Table 1 Some testing results of the irrigation system

(3)自動澆灌模式有實時自動澆灌、定時自動澆灌2種方式。使用時可根據(jù)地域差異、季節(jié)差異、植物種類差異選擇合理的澆灌方式。

該設計是基于單片機的自動澆灌系統(tǒng)，系統(tǒng)設計思路清晰，安裝簡單，成本較低，便于推廣。系統(tǒng)可根據(jù)土壤的干燥條件進行合理澆灌管理，能夠有效節(jié)約水資源，促進農(nóng)業(yè)的自動化發(fā)展。