摘要:針對(duì)目前農(nóng)業(yè)水資源緊缺且農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題,提出了一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制方案。該方案以微控制器為核心器件,采用無(wú)線通信的方式,通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集參數(shù),并以此為依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整閥門開(kāi)合程度,從而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。該設(shè)計(jì)具備較好的實(shí)用性,有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。 
關(guān)鍵詞:無(wú)線通信;節(jié)水灌溉;實(shí)時(shí);微控制器 
  中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展目前面臨著兩大主要問(wèn)題:一方面國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)建設(shè)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致對(duì)水資源的需求量越來(lái)越大,但是,中國(guó)目前的水資源嚴(yán)重不足;另一方面中國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右,但有效利用率僅在45%左右,而歐美發(fā)達(dá)國(guó)家一般在70%~80%,這導(dǎo)致中國(guó)農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重[1]。 
  因此,在水資源嚴(yán)重不足的情況下,如何有效解決農(nóng)業(yè)用水短缺問(wèn)題顯得迫在眉睫。方法大致有兩種:開(kāi)發(fā)新的水資源,但是,此方法投資大、見(jiàn)效慢,受地理環(huán)境影響異常明顯;另一種方法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的需求規(guī)律而進(jìn)行的適時(shí)灌溉,利用盡可能少的水獲得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式[2]。此方法投資相對(duì)較小,既有可能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化,又可能極大提高水資源的利用率。 
  基于此,提出一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能,并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)及所需水量來(lái)控制給水的時(shí)間和流量。 
  1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 
  目前,國(guó)外普遍采用大型分布式微機(jī)測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制。該技術(shù)方案擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式,為多種技術(shù)的融合,根據(jù)采集到的土壤參數(shù)、溫濕度等環(huán)境參數(shù)來(lái)決定灌溉量與灌溉時(shí)間。因此,系統(tǒng)分中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。其中N為遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的個(gè)數(shù)[3]。由圖1可見(jiàn),中央控制系統(tǒng)(主站)主要由微控制器與主PC機(jī)構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(子站)主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選定與測(cè)量、信息數(shù)據(jù)傳輸與處理、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作等功能。系統(tǒng)選擇無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)主站與子站之間的信息傳輸,其系統(tǒng)框圖如圖2[3]。 
  系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線處理模塊、控制模塊、軟件模塊這5大功能模塊。因此,選擇土壤水分、空氣的濕度、空氣的溫度3個(gè)參數(shù)作為灌溉的因素,測(cè)量元件就是測(cè)量這3個(gè)參數(shù)。具體器件選擇如下:①空氣溫濕度測(cè)量元件選用CHT-WV02溫濕度變送器;②A/D轉(zhuǎn)換器選用ADC0808;③電磁閥選用分布式電磁閥;④無(wú)線通信模塊選用2FSK解調(diào)方式的 PTR8000;⑤核心控制器選用常見(jiàn)的AT89系列單片機(jī);⑥土壤水分測(cè)量元件采用TDR3型水分傳感器。 
  2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 
  2.1 主站硬件設(shè)計(jì) 
  如前所述,主站的功能主要體現(xiàn)如下:通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)與子站之間的信息傳輸,即遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)器件采集土壤水分、溫度、濕度等參數(shù)后,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后,通過(guò)無(wú)線方式傳輸給主站,主站以此為依據(jù)控制閥門水量的大小,也就是確定開(kāi)關(guān)開(kāi)合的程度。其間,主站中微控制器與主PC機(jī)之間采用有線通信方式。 
  2.1.1 微控制器與PC機(jī)的接口電路 微控制器與PC機(jī)之間采用常用的RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但是,由于RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)與單片機(jī)TTL邏輯的電平標(biāo)準(zhǔn)不兼容,因此,必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)二者之間的電平匹配。在本設(shè)計(jì)中,選用最常用的MAX232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電平匹配。 
  TXD與MAX232的T2in相連,經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換后,T2out輸出的信號(hào)進(jìn)入RXD。同理,TXD與MAX232的R2in相連,經(jīng)過(guò)MAX232轉(zhuǎn)換后,R2out輸出的信號(hào)進(jìn)入RXD。如此,便可實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232之間的邏輯電平轉(zhuǎn)換,使單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信鏈路接口完成。 
  2.1.2 無(wú)線射頻收發(fā)接口電路 由于本單片機(jī)不具備SPI接口,所以要利用軟件模擬SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PTR8000之間的通信[5]。 
  PTR8000的3個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)DR、AM、CD分別與單片機(jī)的P3.2、P3.4和P3.5管腳相連,以此實(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊與單片機(jī)的通信控制。其中,AMS1117是低壓差三端電壓調(diào)節(jié)器,旨在為PTR8000提供合適的電壓。 
  2.2 子站硬件設(shè)計(jì) 
  子站主要完成對(duì)傳感器信號(hào)的采集及處理并控制電磁閥動(dòng)作,達(dá)到自動(dòng)灌溉的目的,由控制單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、土壤水分傳感器、溫濕度變送器和電磁閥組成。 
  2.2.1 土壤水分檢測(cè)電路 設(shè)計(jì)采用運(yùn)算放大器UA741來(lái)實(shí)現(xiàn)減法電路,其中VH=WATERH,VL=WATERL,△V=WATER。電路如圖5所示。注意在采集數(shù)據(jù)之前,對(duì)于運(yùn)算放大器UA741一定要調(diào)零。 
  2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換接口電路 ADC0808沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘,所以時(shí)鐘信號(hào)端CLK通過(guò)兩個(gè)D鎖存器的分頻與單片機(jī)的時(shí)鐘相連。如圖6所示,由于ADC0808的轉(zhuǎn)換速度所限制,系統(tǒng)使用2 MHz的晶振,通過(guò)兩個(gè)D鎖存器的分頻后,ADC0808 CLK端的時(shí)鐘頻率為2 MHz/4=500 kHz。 
  2.2.3 顯示接口電路 顯示接口電路如圖7所示。其中,四個(gè)晶體管的作用是使得共陽(yáng)極的LED正常工作,在LED每個(gè)光二極管前加了一個(gè)限流電阻,是避免LED發(fā)光二極管因電流太大而燒壞或壽命減少。 
  2.2.4 輔助控制單元設(shè)計(jì) ①電磁閥控制單元。由于單片機(jī)的輸出電流比較小,不能驅(qū)動(dòng)電磁閥工作,所以需接一晶體管進(jìn)行電流放大從而驅(qū)動(dòng)電磁閥工作,在繼電器兩端反并一個(gè)二極管的作用是防止繼電器因過(guò)大的電流燒壞或壽命減少。電磁閥控制電路如圖8a所示。②報(bào)警電路設(shè)計(jì)。大部分都是使用蜂鳴器來(lái)提示或報(bào)警,具體如圖8b所示。   
       3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 
  3.1 主站軟件設(shè)計(jì) 
  設(shè)計(jì)中單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)土壤水分、溫濕度等參數(shù)的實(shí)時(shí)接收、發(fā)射以及數(shù)據(jù)的串口發(fā)送,因此,功能相對(duì)較少,在實(shí)際設(shè)計(jì)中只需要合理地初始化外圍芯片以及特殊功能寄存器,便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,其主程序流程圖如圖9所示。此外,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,PTR8000為無(wú)線收發(fā)模塊,功能是接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù),其流程圖如圖10a與10b所示。 
  3.2 系統(tǒng)子站軟件設(shè)計(jì) 
  3.2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集主要是指經(jīng)傳感器采集過(guò)來(lái)的電壓信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī),再通過(guò)單片機(jī)的軟件處理為此電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的濕度、溫度和土壤水分信號(hào),其流程圖如圖11所示[6]。 
  3.2.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理主要是將從A/D采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的軟件算法處理后,得到與實(shí)際情況最相符的數(shù)據(jù),即誤差最小,其程序流程圖如圖12所示[6]。 
  3.2.3 數(shù)據(jù)顯示程序設(shè)計(jì) 顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)譯碼器74LS138和驅(qū)動(dòng)74LS47將數(shù)據(jù)送至LED顯示。數(shù)據(jù)顯示子程序主要完成將待顯示的數(shù)據(jù)移出單片機(jī),送至譯碼器74LS138和驅(qū)動(dòng)器74LS47,其程序流圖如圖13[7]。 
  4 小結(jié) 
  設(shè)計(jì)通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)施節(jié)水灌溉,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能,并能根據(jù)采集到的有關(guān)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)及所需水量來(lái)控制給水的時(shí)間和流量。通過(guò)無(wú)線遙控節(jié)水灌溉技術(shù)可節(jié)省人力物力,解決當(dāng)前水資源短缺卻又浪費(fèi)的緊張局勢(shì)。主站和子站之間采用無(wú)線傳輸,克服了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)牡赜蛳拗,?shí)現(xiàn)了站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送。此外,通過(guò)溫濕度和水分傳感器采集作物土壤及周圍環(huán)境的信息,可較全面地體現(xiàn)農(nóng)作物的需水狀況,且節(jié)約成本,有效地實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉。 
  參考文獻(xiàn): 
  [1] 唐思航,韓曉琴.轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵[J].北京社會(huì)科學(xué),2010(2):76-81. 
  [2] 李秀娟.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007. 
  [3] 孫 燕,曹成茂,馬德貴.基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(3):1444-1445. 
  [4] 任園園,劉建平.基于CMX7143的高速數(shù)傳模塊的硬件設(shè)計(jì)[J].今日科苑,2009(2):175. 
  [5] 張 武.無(wú)線通信模塊PTR8000在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2007(2):29-32. 
  [6] 繆鵬程.作物生長(zhǎng)需水信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2009. 
  [7] 章禮亮.稻谷進(jìn)倉(cāng)濕度自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2009