智能灌溉控制系统的设计

杨亚男 袁英

关键词： 智能灌溉 控制系统 无线交互 数据库 智慧农业

农业是社会生产和科技发展的基石，随着科技化、信息化程度的提高，传统农业逐步向“智慧农业”方向发展，其中最为突出的表现就是灌溉方式的变革。智能化、精确化的灌溉方式不仅是缓解水资源匮乏的重要途径，也有助于实现农业现代化，提高农业生产效率[1]。传统的农业灌溉方式多为漫灌，控制方式粗放，水资源利用率低且灌溉水量分布不均效果差。现代农业灌溉多采用智能化的滴灌、喷灌、微灌等节水型灌溉措施，容易实现智能化控制，精细化程度高[2]。

该研究设计了一款基于STC8A8K64D4 微控制器（MCU）的智能灌溉控制系统，能够实现对土壤温湿度、环境温度的检测，通过与农业专家系统数据库中的灌溉触发阈值对比，实现对灌溉系统的控制。该系统可应用在不同地域、不同季节、不同种类作物的灌溉过程中，又能将灌溉阈值、灌溉程度等经验数值反馈填充至农业专家系统数据库中，进一步实现对控制系统数据的补充、优化和完善，提高系统智能化、精细化程度。

1 总体设计

控制系统总体结构包含硬件和软件两个部分，采用模块化的设计理念实现灌溉系统的智能控制。硬件部分主要包含中心控制单元、温湿度信号采集电路、显示及报警电路和无线数据交互模块等。软件部分为系统的主控程序设计及数据管理方案，主要涉及C 语言编程的主驱动程序及线上农业专家系统数据库。

该系统的微控制单元（MCU）选用STC8A8K64D4单片机，是目前市场上主流的单片机，具有性价比高、低功耗、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在各种家电、汽车电子以及消费类电子行业。MCU 通过其内部EEPROM 存储的数据与农业专家系统数据库进行数据交互，根据专家库系统数据设定灌溉程度等阈值，也可实现对专家库数据的补充、优化。

系统工作过程中通过温湿度传感器采集土壤温湿度情况，使用温度传感器作为电机过热保护部分的温度采集装置并在模数转换单元（ADC）完成模拟温度信号到数据信号的转换。土壤温湿度数据及电机运行温度数据由实时时钟单元（RTC）通过DS1302 芯片提供时间信息对其设置时间戳。手动阈值调节部分通过按动按键完成灌溉系统的控制和温湿度阈值调整功能，显示部分通过LED 完成系统工作状态指示功能、LCD显示屏显示时间或温湿度状态。

2 硬件电路设计

智能灌溉控制系统硬件部分包含中心控制单元、温湿度信号采集电路、显示及报警电路和无线数据交互模块等。该应用场景下，中心控制单元的MCU、温湿度信号采集电路中的传感器和显示及报警电路中的逻辑器件在市面上可选择的种类繁多，例如：温湿度传感器的型号有DHT11、DHT22、DS18B20、LM35、UTU21D等不同的种类，且可选贴片式或插件式封装，显示驱动电路有74HC373、74HC573、74HC138、74HC02 以及三极管等不同的方案，显示器件也有数码管、LCD1602、LCD12864、OLEA12864、TFT2.4 等多种类。结合市场相关产品应用情况、方案的鲁棒性和使用寿命、性价比等多方面因素，最终确定设计方案。

2. 1 中心控制单元

中心控制单元的核心部件MCU 单片可选方案有：IAP15W4K58S4、STC89C52RC、STC8A8K64D4、STC15W408等，各种型号均可选用直插或者贴片封装，该系统结合市场情况及性价比选用贴片式STC8A8K64D4 单片机作为微控制器构成中心控制单元。中心控制单元主要包含单片机电路、晶振电路、复位电路三部分[3]。单片机电路主要由STC8A8K64D4 芯片IO 口引线构成，与其他外围部件实现数据交互；外部晶振电路由两个电容CY3 和CY4、12M 晶振CY2 构成最后接入单片机的P16 和P17 两管脚；复位电路由1 K 电阻R3、1 μF 电容CR1 及按键S1 构成，中心控制单元原理图如图1 所示。

2. 2 温湿度信号采集电路

灌溉电机常用继电器进行控制，电机运行中内部构件的发热问题不可避免，常使用温度传感器构成的电机过热保护系统提高电机运行中的安全、稳定性。该设计使用DS18B20 作为电机内部环境温度信息采集数字温度传感器，其体积小、抗干扰能力强、精度高，硬件开销成本低。DS18B20 是美国Dallas 公司生产的单总线数字温度计，可以在一根数据线实现数据的双向传输，温度的测量范围在?20℃～100℃之间。DS18B20 有多种不同的封装，甚至可以随使用环境而进行个性化封装，满足该系统中电机内部温度监测的要求[4]。

土壤温湿度信息在系统控制中是至关重要的环境信息，该设计使用DHT11 作为土壤温湿度信号采集装置，其响应快、抗干扰能力强，性价比高且能方便与MCU 进行信息交互。DHT11 数字温湿度传感器是一款复合型温湿度信息采集传感器，其传感器部分由一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件构成。DHT12核心部件则由湿敏电容构成，稳定性更好，但成本高。DHT11 传感器为4 针单排引脚封装，其输出是极为精确的已校准数字信号，采用单线制串行接口，提高系统的集成度，信号传输距离可达20 m 以上，适用于要求较为苛刻的场合[5]。

2. 3 无线数据交互模块

目前常见的无线数据传输技术主要有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 这3 种方案，但这3 种方案受传输距离或网络覆盖广度影响，不适用于大范围长距离信号传输[6]。该系统采用LoRa（Long Range）无线通信模块完成此功能，經过市场对比分析，采用高性价比的KT-FCC68 双向收发LoRa 模块完成传感器终端、农业专家系统数据库终端的数据无线传输与交互。该模块是以美国Semtech 公司的射频芯片LLCC68 芯片为核心进行自主设计研发的无线射频模块，广泛应用于农业传感器终端、智能电表、安防传感器等物联网无线通信领域。其具有超过-129 dBm 的高灵敏度，22 dBm 的功率输出，体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。

KT-FCC68 无线模块传输距离理想情况下达5 km，可以大幅减少中继器的使用，简化了系统设计，从而大幅度降低成本，除此之外，模块末端节点电量需求极低，大幅度延长了电池供电的时间，最大化了电池的使用寿命，改善了网络的容量和扩展性。KT-FCC68 信号接收端LoRa 模块与主控MCU 通信接口除了SPI 接口外，还要把BUSY、IRQ 连接到主控MCU 的IO 口，模组的IO 口是3.3 V，通过电平转换电路实现主控MCU 模块与模组的IO 电平匹配。信号发射端为DH11、DS18B20 等传感器终端，通信方法、接线与KT-FCC68 信号接收端遵循相同方法。通过内部程序及软件设置，可实现无线主接收模块与多个终端子模块一对多的信息传输模式。

2. 4 显示及报警电路

该系统报警电路部分主要采用蜂鸣器、LED 灯电路进行预警信息提示，信息显示部分主要采用12864液晶显示屏进行实时数据显示。系统通过EEPROM存储温湿度阈值，同时通过读取DS1302 时钟芯片相关寄存器获得时间数值，并将信息显示在12864 液晶屏上。自动工作状态下，可通过按键调整和保存阈值信息，根据湿度数据由继电器模块自动对灌溉设备进行开关控制，以LED 灯L10 作为设备的运转指示；手动工作状态下，可人工操作按键控制继电器打开或关闭灌溉设备。蜂鸣器接线图见图2，继电器和指示灯接线图见图3。

3 系统软件设计

系统软件设计包含系统主控程序的设计及信息管理方案两部分，系统的主控程序下载运行于MCU 所在的中心控制单元，信息的管理方案是对分布式的多传感器终端获取环境信息的数据处理。整个系统数据通信功能通过无线数据交互模块实现，形成智能化、精细化的灌溉控制软件系统。

系统硬件控制编程采用模块化思想，在Keil uVision5开发环境下，使用可读性高的C 语言对MCU 主控程序进行开发设计。主控程序运行中主要涉及温湿度信号采集电路和显示及报警电路两部分，通过程序控制的传感器主要包括：分布在田间采集土壤墒情的DHT11 温湿度传感器模块以及电机过热保护系统中的DS18B20 传感器，显示及报警电路中的继电器、蜂鸣器、指示灯、液晶显示屏和按键。通过对各外围传感器、执行器件、指示器件进行分布式驱动控制、数据集中化管理，实现系统的高效、智能化运行。开发思路更为清晰，代码移植性更好，系统主控程序的控制流程如图4 所示，信息管理方案如图5 所示。

系统主控程序以土壤湿度信息作为控制信号，系统初始化的过程包括对各传感器工作模式的配置、液晶屏和LED 灯等显示信息的确认、无线模块主从收发信息的测试等。初始化完成后通过KT-FCC68 无线模块与农业专家系统数据库中的数据进行交互，即从农业专家系统数据库中获取特定的某种作物不同生长周期适宜的温度、湿度数据，将EEPROM 存储单元中的数据保存在农业专家系统数据库缓存中。接下来通过分布式的各个传感器模块进行信息采集，其中模拟信息由A/D 转换成数字信号后，所有的数字信号由KTFCC68无线模块传回主控平台进行数据分析，进而实现对灌溉系统的控制。

整个系统控制中数据的管理方案涉及农业专家系统库、分布式传感器模块和显示及控制信号这3 个部分。农业专家系统数据库是人工智能知识工程的产物，是大量农事宝贵经验的智能化汇集，包括水稻、麦类、玉米、杂粮、豆类、薯类、棉麻、油料、糖烟茶桑及药用植物等典型作物在不同生育期，根据不同的温度、湿度等生态条件合理选择灌溉情况，以达到水分和产量的最优化[7]。分布式传感器模块主要包含散布在田间进行温湿度采样的传感器模块，通过各类传感器获取干旱和灌溉情况，并结合相应的时间戳预测灌溉所需用水量或灌溉时间。显示信息通过指示灯、显示屏进行可视化，控制信息主要通过继电器控制终端灌溉设备的运行状态，通过蜂鸣器和指示灯进行信息的告警。

4 结语

该设计以STC8A8K64D4 单片机为主控芯片，使用DHT11 传感器检测土壤温湿度信息，DS18B20 传感器作为电机过热保护系统中的温度采集装置，由DS1302芯片获取各数据的时间戳，分布式传感器获取到的环境信息通过KT-FCC68 双向收发LoRa 模块实现主从机间信息的无线传输。系统中控制阈值数据来源于农业专家系统数据库，并将使用中控制閾值的调节情况反馈至农业专家系统数据库，补充或调整库中的经验数据，实现了灌溉系统控制的智能化。该系统有助于提高农业生产效率和水资源的利用率，尤其适用于滴灌、喷灌、微灌等新型节水型灌溉控制系统，随着新型灌溉模式在农业经济型作物种植中的普及，使得该控制方法有了广泛的应用和发展空间，对智慧农业的发展和实现具有深远的意义。