基于单片机的温室自动灌溉系统设计

孟 珩

（泰山科技学院，山东 泰安 271000）

0 引言

温室作为我国设施农业的重要组成部分，其在蔬菜作物培育、调整农业产业结构等方面发挥了重要作用。据统计，截止到2020年我国温室总面积达到187.3万hm2，在我国水资源匮乏且分布不均的背景下，传统的温室灌溉方式还在采用人工监测旱情，并以“大水漫灌”的方式进行，主要缺陷：（1）水资源利用不充分，作物培育方式不合理；（2）多以人工方式进行，增加了生产成本。因此，研发温室自动灌溉系统就显得尤为重要。

近年来，国内专家学者对温室灌溉系统的研究取得了较多成果。李雅静等[1]以西门子S7-200PLC作为控制器，采用水位节点控制的方法，对温室作物进行智能化灌溉。刘斌等[2]设计了基于Smith预估器的温室灌溉模糊控制策略，有效提高了灌溉系统的控制精度和实用性。盛强针对温室花卉对生长环境的需求，设计基于Modbus-RTU通信的灌溉控制系统，以轮询方式对温室环境因子进行采集，并上传至MCGS触摸屏进行监控，通过变频器实现对花卉的按需灌溉，以达到精细化管理的目的[3]。王蕾等采用STM32单片机作为控制器，通过WIFI无线传输的方式，对温室内部信息进行全方位监测，实现对其的合理化灌溉[4]。薛岩等以温室黄瓜种植为例，分析该作物在不同气象条件、不同生长阶段下的需水模型，设计了精细化灌溉控制的策略[5]。杜佳豪等针对温室节水灌溉需求，设计了基于ZigBee的温室灌溉系统，实现了控制过程中数据的无线采集、发送，有效对温室作物进行了灌溉[6]。主要设计基于51单片机的温室自动灌溉系统，其主要研究内容如下：

（1）对温室灌溉系统进行需求分析和整体系统设计，确定每个功能子模块。

（2）对元器件进行选型，完成该控制系统的硬件电路设计，并采用模块化编程，对各个模块子程序进行设计，实现土壤墒情监测及自动灌溉。

（3）设计基于Labview的上位机界面，实现温室土壤湿度的远程监测及灌溉控制。

1 温室灌溉系统总体设计

1.1 系统需求分析

（1）温室环境存在时空差异性，温室不同区域的土壤湿度存在差异，中部土壤湿度较小，靠近棚架两侧的区域，因受棚外水分渗透及棚膜上水滴的流淌，湿度较大，要求对温室分区域进行土壤墒情监测。

（2）对该温室作物的灌溉，可实现棚外远距离操作，设计上位机界面，可远端监控土壤墒情，及手动和自动控制温室灌溉。

1.2 温室灌溉系统整体设计框架

根据设计过程中温室环境数据采集、传输、应用的需求，在符合可扩展、可靠实用及科学性等多项原则下，将温室灌溉控制系统分为物理感知层、数据处理层、应用管理层，其中在物理感知层针对棚架左侧、中央、右侧3个点布设了3个传感器，进行数据采集。系统整体结构图如图1所示。

图1 温室灌溉系统整体结构图

2 温室灌溉系统硬件设计

根据温室灌溉系统的需求和设计原则，采用AT89C51单片机作为控制器，连接多个四线制土壤湿度计监测模块完成分区域数据采集，通过串口与PC端进行通信，整个硬件电路分为了单片机最小系统、传感器采集模块电路、串口通信模块电路、电源模块电路、继电器控制电路、报警电路及按键电路等，整体硬件电路框架如图2所示。

图2 温室灌溉系统硬件电路结构

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统是由电源、复位电路及时钟电路组成，设计采用AT89C51单片机作为控制器，该型号单片机采用5 V直流电进行供电，时钟电路在XTAL1和XTAL2两个引脚间跨接了一个11.0592 MHz的晶振，连接两个22pF电容，使振荡器起振并对其频率进行微调。复位电路采用手动及上电自动复位结合的方式进行设计，电路如图3所示。

图3 单片机最小系统电路

2.2 电源模块电路

控制系统的稳定运行，要求设计可靠的电源模块电路对系统进行供电。该温室灌溉系统控制器、四线制土壤湿度计监测模块所需供电电源均为5 V，该电路采用7805DC-DC稳压芯片对12 V电源进行降压，设计电路如图4所示。

图4 电源模块电路

2.3 土壤湿度传感器数据采集模块电路

本设计选用四线制土壤湿度传感器模块，该模块采用3.3～5 V供电，将该模块埋入土壤后，土壤湿度越大，其AO端输出电压越大，模拟量AO端与ADC0832引脚相连，通过AD转换通道进行模数转换，单片机可以控制AD模块，并结合输出电压与实际湿度值存在的一次函数转换关系，最终得到被测的土壤湿度值。系统设计中依据数值采集需求布设了三个湿度传感器，其单个传感器的电路设计如图5所示。

图5 传感器数据采集模块电路

2.4 报警及继电器控制电路

该控制系统设置土壤湿度监测报警装置，当温室内土壤湿度低于设定限值时，该报警电路动作，同时进行相应调控，设计电路如图6所示。该温室土壤灌溉系统的设备有喷灌、滴管等装置，单片机不能对其进行直接驱动，需要设计驱动电路间接进行调控，以喷灌装置为例，单片机通过控制继电器间接实现对喷灌装置的控制，设计电路如图7所示。

图6 报警模块电路

图7 继电器控制模块电路

2.5 串口通信模块电路

该控制系统需要实现下位机和上位机的可靠通信，设计采用MAX232芯片实现电平转换，将TTL电平转换为RS-232电平。电脑端的串行接口9芯串口线与单片机电路中设计的9针插座相连，如图8所示。

图8 串口通信模块电路

3 温室灌溉系统软件程序设计

在该系统硬件电路设计的基础上，根据控制特点及需求分析，采用模块化编程的思路对软件程序进行了设计。系统上电后，设备完成初始化，3路土壤湿度传感器开始进行数据采集，并完成A/D转换。程序执行过程中，设备还要进行按键检测，判断系统是否进入设置模式，进行相应操作。系统定时进行数据上传，且3路传感器所采集数据会与预设值进行比较，弱不符合作物生长要求，上位机下达自动控制指令，下位机在收到指令后进行数据解析，完成相应调控动作，其主程序流程图，如图9所示。

图9 系统主程序流程图

本装置上位机界面的设计选用了NI公司开发的Labview软件，该软件采用图形化语言进行程序设计，所用指令清晰且更容易理解，整个开发周期较短。上位机和下位机通过串口进行通信，通过运行界面设置串口号、波特率，当上位机向单片机发送字符C时，进行数据上传，上位机不断读取采集数据，为后续土壤湿度控制提供判断依据，如图10所示。

图10 串口读取程序设计

4 系统调试

在完成硬件和软件设计的基础上，对系统进行了调试，下位机硬件电路工作正常，可以进行稳定的数据采集，并通过Labview上位机界面进行显示，根据预设值判断是否进行土壤灌溉。

首先将串口号和波特率分别设置成COM3串口和9600 bps，点击系统运行按键后，装置启动。按照程序设置的上传周期进行土壤的湿度值上传，并与系统功能验证中设置的土壤适宜湿度值50%进行比较，若不符合设置值，系统的调控机构可触发相应的调节措施。该装置分别在棚架两侧和温室中央设置了三个土壤湿度传感器，当前运行界面3个监测点分别显示的湿度值为56.1%、52.3%、31.7%，可以看出3#湿度传感器采集到的温室中部土壤湿度值小于作物需要的适宜湿度值，滴灌设备启动进行适度调节，可以观察到当前滴灌设备运行指示灯点亮，表明调控设备处于工作状态。如图11所示。

图11 监控画面

5 结语

设计的基于51单片机的温室土壤灌溉系统，根据设计需求分析，从棚架左侧、右侧、中央三部分各选择了一个采集点，并进行土壤温湿度传感器的埋设，进行分区域数据采集，将采集值与程序设计中的预设值进行比较，通过Labview上位机来自动判断是否启动喷灌或滴灌设备进行调控，对温室土壤湿度的自动控制起到了一定作用。