基于大棚作物的多路远程灌溉控制系统设计

牛涛++王一涯++陈曙光

摘要 在利用大棚进行农作物培育时，土壤湿度是影响其生长、发育的关键因素之一，因此对大棚进行多点土壤湿度检测，根据各点土壤湿度对农作物实现精准灌溉显得尤为重要。本文设计了一种基于单片机的土壤多点灌溉控制系统。系统中选用SM2801B土壤水分传感器作为测量土壤湿度元件，以STM32F429单片机为控制核心，进行多点土壤湿度检测并以电磁阀为执行元件实现农作物的定点灌溉。同时，通过串口与PC机进行通信，并以VB编写的上位机界面将各点土壤湿度以曲线的形式显示出来，通过上位机界面进行远程定点灌溉操作。

关键词 SM2801b；灌溉控制系统；土壤湿度；VB；单片机

中图分类号 TP368.1 文献标识码 A 文章编号 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.，Fuyang 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

环境因素的适宜与否对于大棚作物来说是首要考虑的问题，也是其需克服的关键技术之一，如果仅靠人工管理的方法是无法单独实现的，必须要以现代科学技术作为辅助。通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，来控制环境条件，从而使作物能达到优质、高产、高效的栽培目的[1]。

土壤湿度是影响作物生长的重要因素之一，保证作物长期在一种适宜的土壤湿度环境下生长是设施农业亟需解决的问题。传统农业中采用统一灌溉方式，极易造成过量灌溉、不均匀灌溉，不但浪费了水资源，而且当灌溉量超过一定值时，还会影响作物生长[2-3]。本设计结合现代精细农业和节水需求，设计了一套多路远程可控灌溉系统，土壤湿度传感器采集多点土壤湿度信息，上位机对数据进行分析处理，参照专家系统得出各点灌溉量的准确值，PC机将各点灌溉量发送下位机，下位机控制继电器进行定点定量灌溉，既节水，又可为农作物提供了稳定的土壤湿度环境。

1 系统设计

1.1 系统整体结构设计

本系統以STM32F429单片机为控制中心，以多个SM-2801B土壤水分传感器作为测湿元件对大棚内多点土壤湿度进行测量，单片机对其土壤湿度数据进行分处理，并通过RS232串口将数据传输给PC机以供远程观测。单片机将各点测量值与土壤湿度设定下限值进行比较，若实际土壤湿度值低于设定湿度的下限值，单片机输出控制信号，控制继电器打开电磁阀开始灌溉，直到土壤湿度达到预设湿度的上限值，停止灌溉[4-5]。单片机作为下位机，将处理过的土壤湿度数据通过串口传输给PC机，并通过VB编写的上位机界面以数值和曲线2种形式进行显示，便于远程土壤湿度观察与分析。通过VB上位机界面能够灵活地设置土壤湿度的上下限值，可应用于各种农作物灌溉需求，还可以通过上位机远程灌溉操作。系统整体结构如图1所示。

1.2 系统硬件设计

系统硬件部分主要由单片机STM32F429、多路土壤水分传感器SM2801B、继电器、多路选择开关、电平转换模块和电磁阀等组成。在大棚里布置多个土壤水分传感器，实现多点的土壤湿度测量，单片机通过控制多路选择开关分时采集多个土壤湿度传感器的测量值，并对采集的数据进行分析和处理，一方面将处理后的数据通过RS232串口传输给上位机，另一方面将处理过的数据与对应点设定的土壤湿度上下限值进行比较，根据比较结果决定是否触发相应继电器动作[6-7]。

1.2.1 土壤湿度测量电路。系统采用8个土壤水分传感器SM2801B测量土壤湿度，传感器输出为RS485标准信号，因单片机为TTL电平，因此两者要实现通信，中间要通过RS232/RS485/TTL转换模块[8-9]。由于单片机STM32F429串口资源有限，而各个传感器通过电平转换器都需要与单片机串口通信，所以为解决此问题，并减少转换器使用数量，降低系统开发成本，在传感器和转换器之间接入多路选择开关。单片机与单个土壤湿度传感器的电路连接图如图2所示。

1.2.2 继电器模块。本系统中的继电器采用固态继电器，固态继电器是一种全电子电路组合的元件，它依靠半导体和电子元件的电、磁和光特性来完成其隔离和继电切换功能，与传统继电器相比，无机械触点，使用寿命长。

本系统继电器控制电路如图3所示，固态继电器3、4端为直流输入端，1、2端为交流输出端，单片机引脚输出高电平，NPN三极管便导通，12V直流电源加入到固态继电器的输入端，输出端的开关闭合，电磁阀通电，开始工作。当PA0引脚输出低电平时，输入端电压过低，输出端的开关断开，电磁阀停止工作。由此可见，通过单片机引脚输出高低电平即可控制电磁阀通断。

1.3 系统软件设计

系统采用单片机STM32F429为下位机，软件开发环境为IAR，编程语言为C语言，采用模块化编程思想。下位机程序主要有主程序、土壤湿度采集子程序、串口通信程序和继电器控制子程序。当系统上电复位后，主程序开始运行，首先调用土壤湿度采集子程序，分时采集8路土壤湿度传感器测量值，并对其进行处理，将处理后的数据存储到对应数据存储区，同时调用串口通信子程序将8路土壤湿度值传输给PC机，在继电器控制子程序里，单片机实时对各点采集的数据与相应点的设定土壤湿度上下限值进行比较，若测量值低于预设的土壤湿度下限值，单片机对应引脚输出高电平，驱动继电器执行动作，打开电磁阀，开始灌溉，直到湿度达到设定的上限值，单片机引脚输出低电平，关闭电磁阀，停止灌溉。单片机主程序流程如图4所示。

2 结论

经过硬件和软件调试，通过上位机可完成对各点土壤湿度上下限值灵活设置，单片机分时采集8路土壤湿度传感器的数据，并将实际测量值与与设定值进行比较，可实现定时测量和定量测量，达到精准灌溉的目的，对促进大棚作物高效、优质生长具有重要意义。

3 参考文献

[1] 李中华，王国占，齐飞.我国设施农业发展现状及发展思路[J].中国农机化，2012（1）：7-10.

[2] 葛志軍，傅理.国内外温室产业发展现状与研究进展[J].安徽农业科学，2008，36（35）：15751-15753.

[3] 刘笃仁，韩保君.传感器原理及应用技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4] 王芳琴.单片机控制的节水灌溉系统的研究[D].武汉：华中农业大学，2005.

[5] 张观山.果园智能灌溉系统的开发[D].泰安：山东农业大学，2014.

[6] 赵伟.基于远程通信技术的温室环境控制系统研究与实现[D].北京：中国农业科学研究院，2010.

[7] 谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

[8] 康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.

[9] 周涵.大功率加热器温控系统设计[D].绵阳：西南科技大学，2014.