智能灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊亞男 袁英

關(guān)鍵詞： 智能灌溉 控制系統(tǒng) 無(wú)線交互 數(shù)據(jù)庫(kù) 智慧農(nóng)業(yè)

農(nóng)業(yè)是社會(huì)生產(chǎn)和科技發(fā)展的基石，隨著科技化、信息化程度的提高，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向“智慧農(nóng)業(yè)”方向發(fā)展，其中最為突出的表現(xiàn)就是灌溉方式的變革。智能化、精確化的灌溉方式不僅是緩解水資源匱乏的重要途徑，也有助于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式多為漫灌，控制方式粗放，水資源利用率低且灌溉水量分布不均效果差。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉多采用智能化的滴灌、噴灌、微灌等節(jié)水型灌溉措施，容易實(shí)現(xiàn)智能化控制，精細(xì)化程度高[2]。

該研究設(shè)計(jì)了一款基于STC8A8K64D4 微控制器（MCU）的智能灌溉控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤溫濕度、環(huán)境溫度的檢測(cè)，通過(guò)與農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的灌溉觸發(fā)閾值對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)可應(yīng)用在不同地域、不同季節(jié)、不同種類(lèi)作物的灌溉過(guò)程中，又能將灌溉閾值、灌溉程度等經(jīng)驗(yàn)數(shù)值反饋填充至農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充、優(yōu)化和完善，提高系統(tǒng)智能化、精細(xì)化程度。

1 總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包含硬件和軟件兩個(gè)部分，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能控制。硬件部分主要包含中心控制單元、溫濕度信號(hào)采集電路、顯示及報(bào)警電路和無(wú)線數(shù)據(jù)交互模塊等。軟件部分為系統(tǒng)的主控程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)管理方案，主要涉及C 語(yǔ)言編程的主驅(qū)動(dòng)程序及線上農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

該系統(tǒng)的微控制單元（MCU）選用STC8A8K64D4單片機(jī)，是目前市場(chǎng)上主流的單片機(jī)，具有性價(jià)比高、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種家電、汽車(chē)電子以及消費(fèi)類(lèi)電子行業(yè)。MCU 通過(guò)其內(nèi)部EEPROM 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，根據(jù)專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)定灌溉程度等閾值，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)專(zhuān)家?guī)鞌?shù)據(jù)的補(bǔ)充、優(yōu)化。

系統(tǒng)工作過(guò)程中通過(guò)溫濕度傳感器采集土壤溫濕度情況，使用溫度傳感器作為電機(jī)過(guò)熱保護(hù)部分的溫度采集裝置并在模數(shù)轉(zhuǎn)換單元（ADC）完成模擬溫度信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。土壤溫濕度數(shù)據(jù)及電機(jī)運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元（RTC）通過(guò)DS1302 芯片提供時(shí)間信息對(duì)其設(shè)置時(shí)間戳。手動(dòng)閾值調(diào)節(jié)部分通過(guò)按動(dòng)按鍵完成灌溉系統(tǒng)的控制和溫濕度閾值調(diào)整功能，顯示部分通過(guò)LED 完成系統(tǒng)工作狀態(tài)指示功能、LCD顯示屏顯示時(shí)間或溫濕度狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能灌溉控制系統(tǒng)硬件部分包含中心控制單元、溫濕度信號(hào)采集電路、顯示及報(bào)警電路和無(wú)線數(shù)據(jù)交互模塊等。該應(yīng)用場(chǎng)景下，中心控制單元的MCU、溫濕度信號(hào)采集電路中的傳感器和顯示及報(bào)警電路中的邏輯器件在市面上可選擇的種類(lèi)繁多，例如：溫濕度傳感器的型號(hào)有DHT11、DHT22、DS18B20、LM35、UTU21D等不同的種類(lèi)，且可選貼片式或插件式封裝，顯示驅(qū)動(dòng)電路有74HC373、74HC573、74HC138、74HC02 以及三極管等不同的方案，顯示器件也有數(shù)碼管、LCD1602、LCD12864、OLEA12864、TFT2.4 等多種類(lèi)。結(jié)合市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用情況、方案的魯棒性和使用壽命、性價(jià)比等多方面因素，最終確定設(shè)計(jì)方案。

2. 1 中心控制單元

中心控制單元的核心部件MCU 單片可選方案有：IAP15W4K58S4、STC89C52RC、STC8A8K64D4、STC15W408等，各種型號(hào)均可選用直插或者貼片封裝，該系統(tǒng)結(jié)合市場(chǎng)情況及性價(jià)比選用貼片式STC8A8K64D4 單片機(jī)作為微控制器構(gòu)成中心控制單元。中心控制單元主要包含單片機(jī)電路、晶振電路、復(fù)位電路三部分[3]。單片機(jī)電路主要由STC8A8K64D4 芯片IO 口引線構(gòu)成，與其他外圍部件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；外部晶振電路由兩個(gè)電容CY3 和CY4、12M 晶振CY2 構(gòu)成最后接入單片機(jī)的P16 和P17 兩管腳；復(fù)位電路由1 K 電阻R3、1 μF 電容CR1 及按鍵S1 構(gòu)成，中心控制單元原理圖如圖1 所示。

2. 2 溫濕度信號(hào)采集電路

灌溉電機(jī)常用繼電器進(jìn)行控制，電機(jī)運(yùn)行中內(nèi)部構(gòu)件的發(fā)熱問(wèn)題不可避免，常使用溫度傳感器構(gòu)成的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)提高電機(jī)運(yùn)行中的安全、穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)使用DS18B20 作為電機(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度信息采集數(shù)字溫度傳感器，其體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高，硬件開(kāi)銷(xiāo)成本低。DS18B20 是美國(guó)Dallas 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度計(jì)，可以在一根數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，溫度的測(cè)量范圍在?20℃～100℃之間。DS18B20 有多種不同的封裝，甚至可以隨使用環(huán)境而進(jìn)行個(gè)性化封裝，滿足該系統(tǒng)中電機(jī)內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)的要求[4]。

土壤溫濕度信息在系統(tǒng)控制中是至關(guān)重要的環(huán)境信息，該設(shè)計(jì)使用DHT11 作為土壤溫濕度信號(hào)采集裝置，其響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高且能方便與MCU 進(jìn)行信息交互。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款復(fù)合型溫濕度信息采集傳感器，其傳感器部分由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件構(gòu)成。DHT12核心部件則由濕敏電容構(gòu)成，穩(wěn)定性更好，但成本高。DHT11 傳感器為4 針單排引腳封裝，其輸出是極為精確的已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，采用單線制串行接口，提高系統(tǒng)的集成度，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m 以上，適用于要求較為苛刻的場(chǎng)合[5]。

2. 3 無(wú)線數(shù)據(jù)交互模塊

目前常見(jiàn)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee 這3 種方案，但這3 種方案受傳輸距離或網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度影響，不適用于大范圍長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸[6]。該系統(tǒng)采用LoRa（Long Range）無(wú)線通信模塊完成此功能，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)對(duì)比分析，采用高性價(jià)比的KT-FCC68 雙向收發(fā)LoRa 模塊完成傳感器終端、農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)終端的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與交互。該模塊是以美國(guó)Semtech 公司的射頻芯片LLCC68 芯片為核心進(jìn)行自主設(shè)計(jì)研發(fā)的無(wú)線射頻模塊，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)傳感器終端、智能電表、安防傳感器等物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信領(lǐng)域。其具有超過(guò)-129 dBm 的高靈敏度，22 dBm 的功率輸出，體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

KT-FCC68 無(wú)線模塊傳輸距離理想情況下達(dá)5 km，可以大幅減少中繼器的使用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而大幅度降低成本，除此之外，模塊末端節(jié)點(diǎn)電量需求極低，大幅度延長(zhǎng)了電池供電的時(shí)間，最大化了電池的使用壽命，改善了網(wǎng)絡(luò)的容量和擴(kuò)展性。KT-FCC68 信號(hào)接收端LoRa 模塊與主控MCU 通信接口除了SPI 接口外，還要把BUSY、IRQ 連接到主控MCU 的IO 口，模組的IO 口是3.3 V，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)主控MCU 模塊與模組的IO 電平匹配。信號(hào)發(fā)射端為DH11、DS18B20 等傳感器終端，通信方法、接線與KT-FCC68 信號(hào)接收端遵循相同方法。通過(guò)內(nèi)部程序及軟件設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線主接收模塊與多個(gè)終端子模塊一對(duì)多的信息傳輸模式。

2. 4 顯示及報(bào)警電路

該系統(tǒng)報(bào)警電路部分主要采用蜂鳴器、LED 燈電路進(jìn)行預(yù)警信息提示，信息顯示部分主要采用12864液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)通過(guò)EEPROM存儲(chǔ)溫濕度閾值，同時(shí)通過(guò)讀取DS1302 時(shí)鐘芯片相關(guān)寄存器獲得時(shí)間數(shù)值，并將信息顯示在12864 液晶屏上。自動(dòng)工作狀態(tài)下，可通過(guò)按鍵調(diào)整和保存閾值信息，根據(jù)濕度數(shù)據(jù)由繼電器模塊自動(dòng)對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，以LED 燈L10 作為設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)指示；手動(dòng)工作狀態(tài)下，可人工操作按鍵控制繼電器打開(kāi)或關(guān)閉灌溉設(shè)備。蜂鳴器接線圖見(jiàn)圖2，繼電器和指示燈接線圖見(jiàn)圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)主控程序的設(shè)計(jì)及信息管理方案兩部分，系統(tǒng)的主控程序下載運(yùn)行于MCU 所在的中心控制單元，信息的管理方案是對(duì)分布式的多傳感器終端獲取環(huán)境信息的數(shù)據(jù)處理。整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信功能通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)，形成智能化、精細(xì)化的灌溉控制軟件系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件控制編程采用模塊化思想，在Keil uVision5開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用可讀性高的C 語(yǔ)言對(duì)MCU 主控程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。主控程序運(yùn)行中主要涉及溫濕度信號(hào)采集電路和顯示及報(bào)警電路兩部分，通過(guò)程序控制的傳感器主要包括：分布在田間采集土壤墑情的DHT11 溫濕度傳感器模塊以及電機(jī)過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)中的DS18B20 傳感器，顯示及報(bào)警電路中的繼電器、蜂鳴器、指示燈、液晶顯示屏和按鍵。通過(guò)對(duì)各外圍傳感器、執(zhí)行器件、指示器件進(jìn)行分布式驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)集中化管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、智能化運(yùn)行。開(kāi)發(fā)思路更為清晰，代碼移植性更好，系統(tǒng)主控程序的控制流程如圖4 所示，信息管理方案如圖5 所示。

系統(tǒng)主控程序以土壤濕度信息作為控制信號(hào)，系統(tǒng)初始化的過(guò)程包括對(duì)各傳感器工作模式的配置、液晶屏和LED 燈等顯示信息的確認(rèn)、無(wú)線模塊主從收發(fā)信息的測(cè)試等。初始化完成后通過(guò)KT-FCC68 無(wú)線模塊與農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，即從農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取特定的某種作物不同生長(zhǎng)周期適宜的溫度、濕度數(shù)據(jù)，將EEPROM 存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)保存在農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)緩存中。接下來(lái)通過(guò)分布式的各個(gè)傳感器模塊進(jìn)行信息采集，其中模擬信息由A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，所有的數(shù)字信號(hào)由KTFCC68無(wú)線模塊傳回主控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的控制。

整個(gè)系統(tǒng)控制中數(shù)據(jù)的管理方案涉及農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)庫(kù)、分布式傳感器模塊和顯示及控制信號(hào)這3 個(gè)部分。農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是人工智能知識(shí)工程的產(chǎn)物，是大量農(nóng)事寶貴經(jīng)驗(yàn)的智能化匯集，包括水稻、麥類(lèi)、玉米、雜糧、豆類(lèi)、薯類(lèi)、棉麻、油料、糖煙茶桑及藥用植物等典型作物在不同生育期，根據(jù)不同的溫度、濕度等生態(tài)條件合理選擇灌溉情況，以達(dá)到水分和產(chǎn)量的最優(yōu)化[7]。分布式傳感器模塊主要包含散布在田間進(jìn)行溫濕度采樣的傳感器模塊，通過(guò)各類(lèi)傳感器獲取干旱和灌溉情況，并結(jié)合相應(yīng)的時(shí)間戳預(yù)測(cè)灌溉所需用水量或灌溉時(shí)間。顯示信息通過(guò)指示燈、顯示屏進(jìn)行可視化，控制信息主要通過(guò)繼電器控制終端灌溉設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)蜂鳴器和指示燈進(jìn)行信息的告警。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)以STC8A8K64D4 單片機(jī)為主控芯片，使用DHT11 傳感器檢測(cè)土壤溫濕度信息，DS18B20 傳感器作為電機(jī)過(guò)熱保護(hù)系統(tǒng)中的溫度采集裝置，由DS1302芯片獲取各數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，分布式傳感器獲取到的環(huán)境信息通過(guò)KT-FCC68 雙向收發(fā)LoRa 模塊實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間信息的無(wú)線傳輸。系統(tǒng)中控制閾值數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并將使用中控制閾值的調(diào)節(jié)情況反饋至農(nóng)業(yè)專(zhuān)家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，補(bǔ)充或調(diào)整庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)控制的智能化。該系統(tǒng)有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和水資源的利用率，尤其適用于滴灌、噴灌、微灌等新型節(jié)水型灌溉控制系統(tǒng)，隨著新型灌溉模式在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)型作物種植中的普及，使得該控制方法有了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間，對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義。