一、引言
隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，傳統(tǒng)的的大水溫灌的農(nóng)業(yè)灌溉方式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)在農(nóng)業(yè)的需要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)型的人工操作不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低，并且資源浪費(fèi)嚴(yán)重，因此在農(nóng)業(yè)灌溉急需要一種系統(tǒng)化的控制設(shè)備。為此一種基于單片機(jī)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)裝置應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)包含了控制模塊、傳感模塊、輸入顯示模塊和灌溉模塊，四大模塊共同作用完成智能灌溉功能。本裝置采用采用單片機(jī)將土壤濕度與設(shè)置的上下限值相比較判斷是否需要澆水，土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度并在LED 顯示屏上顯示，通過(guò)投入式液位變送器控制灌溉量，進(jìn)而通過(guò)控制模塊控制水泵實(shí)現(xiàn)智能灌溉。




 
在農(nóng)業(yè)上，目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)灌溉方式仍然主要為大水漫灌，然而大水漫灌從各個(gè)層面上考慮并不是一種好的灌溉方式。*先，我國(guó)的淡水資源并不豐富，是一個(gè)缺水大國(guó)，同時(shí)在農(nóng)業(yè)方面對(duì)水的需求量較大，并且利用率較低，在需要頻繁澆水的蔬菜農(nóng)植方面總體利用率更低。大水漫灌不僅浪費(fèi)水容易使土地鹽堿化，而且灌溉并不均勻，部分農(nóng)作物會(huì)受到水流沖刷的傷害。二，不同的植物其適合生長(zhǎng)的土壤濕度不盡相同，即便是一種植物在它不同的生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)土壤濕度的要求也不一樣。因此傳統(tǒng)的灌溉方式并不能實(shí)現(xiàn)合理的農(nóng)業(yè)灌溉。生活中，部分家庭喜歡在家中養(yǎng)花，可以凈化空氣陶冶情操，卻也時(shí)常遇到不便，比如有時(shí)出差、工作忙，花卻無(wú)人照顧，經(jīng)常犯懶或者記性不好忘記給花澆水等等。
 
為解決上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)物的研究，提出一種智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊、灌溉模塊、輸入顯示模塊，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度并根據(jù)設(shè)定的植物所需的土壤濕度范圍值實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控。該系統(tǒng)不僅適用于大面積農(nóng)業(yè)灌溉，解決了傳統(tǒng)灌溉方式帶來(lái)的土壤鹽堿化、水肥流失、糧食減產(chǎn)等問(wèn)題，在家庭花卉的栽養(yǎng)中也同樣適用，讓花卉養(yǎng)殖者更為省心省力。
 
　　二、總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)包含智能灌溉和定時(shí)灌溉兩種模式，以便滿足用戶的不同需求。智能灌溉模式下，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行植物識(shí)別，同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)相連自動(dòng)設(shè)置該植物所需的濕度范圍( 如60% ～ 80%) ，用戶也可以在按鍵模塊中手動(dòng)輸入想要設(shè)定的濕度上下值，系統(tǒng)設(shè)定信息可在LED 顯示屏上查看。由單片機(jī)接受該范圍并控制土壤濕度傳感器進(jìn)行濕度檢測(cè)，一旦檢測(cè)到濕度低于60%，系統(tǒng)控制電磁閥打開開關(guān)，調(diào)用水箱中的水進(jìn)行灌溉，當(dāng)土壤濕度的測(cè)量值高于80% 時(shí)則終止灌溉。在定時(shí)模式下，由用戶設(shè)定灌溉的起止時(shí)刻，根據(jù)所設(shè)置的起止時(shí)刻進(jìn)行灌溉。但在此期間當(dāng)土壤濕度達(dá)到上限值時(shí)，對(duì)植物開啟灌溉保護(hù)模式，即便未到停止灌溉時(shí)刻也要終止灌溉。利用液位傳感器控制水箱液位，液位低時(shí)系統(tǒng)報(bào)警提示補(bǔ)充水箱。
 
　　三、系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)
( 一) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)一共分為四個(gè)模塊: 控制模塊、傳感模塊、輸入顯示模塊和灌溉模塊?？刂颇K主要由AT89C51 單片機(jī)構(gòu)成，傳感模塊主要由濕度傳感器( 可用DHT11，不限于此型號(hào)) 構(gòu)成，輸入顯示模塊主要由鍵盤和液晶顯示屏( 可用LCD1602，不限于此型號(hào)) 構(gòu)成，灌溉模塊主要由繼電器、電磁閥、灑水噴頭、水箱、液位傳感器( 可用CYW11，不限于此型號(hào)) 構(gòu)成，同時(shí)在51 單片機(jī)和電磁繼電器之間添加S8050NPN 管來(lái)驅(qū)動(dòng)。
 
　　1． 單片機(jī)控制模塊。本裝置將單片機(jī)控制模塊作為核心組成部分，選用AT89C51 單片機(jī)為控制器件，通過(guò)為該單片機(jī)配置相應(yīng)的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。AT89C51 單片機(jī)的性能強(qiáng)大、容易學(xué)習(xí)，語(yǔ)法結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。雖然51 單片機(jī)是8 位機(jī)，但其處理精度與速度可以滿足本裝置的設(shè)計(jì)要求，且低廉的價(jià)格有利于降低成本，使得本裝置大批量生產(chǎn)。本系統(tǒng)通過(guò)外接數(shù)模轉(zhuǎn)化器對(duì)濕度傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，外接矩陣鍵盤與LED 液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度范圍的設(shè)定與顯示。采用外部中斷，當(dāng)濕度及液位達(dá)到上下限值時(shí)，CPU 將作出相關(guān)回應(yīng)。
 
2． 傳感模塊。在土壤濕度檢測(cè)上，選用DHT11 濕度傳感器為傳感元件。該傳感器響應(yīng)空氣濕度范圍為20 ～ 90ＲH、溫度范圍為0 ～ 60℃，具有較高的精度、良好的穩(wěn)定性、輕巧的體積，滿足本裝置的需求。將傳感器直接與5V 電源相連，完成0 ～ ****的土壤相對(duì)濕度檢測(cè)，并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳送給51 單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)是否需要灌溉進(jìn)行判斷。由于DHT11 傳感器長(zhǎng)期暴露在太陽(yáng)光下易使性能降低，因此在使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意避免陽(yáng)光直射。
 
3． 輸入顯示模塊。系統(tǒng)的輸入顯示模塊能夠通過(guò)矩陣鍵盤輸入土壤濕度，并在LED 顯示屏上顯示系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過(guò)程。LCD 液晶屏體積很小，便于安裝和更換; 可現(xiàn)實(shí)4 行漢字傳輸，速率高、功耗小，工作電壓在3. 3V ～ 3. 5V 之間; 性價(jià)比高，因此該液晶屏在該系統(tǒng)中得以應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，將LED 顯示屏與矩陣鍵盤結(jié)合使用，由于不同的植物對(duì)土壤相對(duì)濕度的要求有所不同，故使用按鍵模塊按照用戶需求設(shè)定土壤濕度的上下限值，顯示模塊用來(lái)顯示該調(diào)節(jié)過(guò)程。此外，在對(duì)供水水箱的高度進(jìn)行水位范圍的設(shè)定時(shí)，顯示模塊同樣起顯示作用。
 
4． 灌溉模塊。在設(shè)計(jì)液位控制部分時(shí)，*先需要對(duì)水箱液位進(jìn)行檢測(cè)，采用投入式液位變送器。投入式液位變送器內(nèi)含壓敏元件，利用壓敏元件的壓阻效應(yīng)，將所測(cè)液壓轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出。投入式液位變送器具有精度高、體積小、使用壽命長(zhǎng)且價(jià)格相對(duì)便宜的優(yōu)點(diǎn)，足以滿足本系統(tǒng)的需求。在安裝時(shí)直接將其置于水箱底部，即可測(cè)出其距水面的高度，操作簡(jiǎn)單容易安裝。當(dāng)對(duì)供水水箱的水位進(jìn)行控制時(shí)，*先液位變送器檢測(cè)出水位高度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸出相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入單片機(jī)。當(dāng)水箱水位低于下限值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令控制繼電器從而使電磁閥給水箱加水，當(dāng)液位高于設(shè)定的上限值時(shí)，關(guān)閉電磁閥停止灌溉。
 
灌溉部分主要包括繼電器和電磁閥兩部分。由于電磁閥需要24V 直流電壓供電，而我國(guó)采用220V 交流電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此需要利用開關(guān)電源完成交直流轉(zhuǎn)換才可以使用。采用串聯(lián)的連接方式連接繼電器、開關(guān)電源及電磁閥，利用單片機(jī)控制繼電器銜鐵的吸合與釋放，從而控制電磁閥的通斷。盡管單片機(jī)的輸出電壓與繼電器的輸入電流均為5V，但單片機(jī)輸出電流較小，不能夠直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此需在單片機(jī)的輸出引腳與繼電器之間添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，這里使用S8050NPN 管。S8050 是一種小功率三極管，利用S8050將單片機(jī)的微小輸出電流放大為幅值較大的電信號(hào)。
 
( 二) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為智能灌溉模式和定時(shí)灌溉模式兩種情況，用戶利用按鍵進(jìn)行模式的選定。啟動(dòng)智能農(nóng)業(yè)灌溉裝置后，*先單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)定時(shí)器中斷與外部中斷，等待中斷的發(fā)生。利用定時(shí)器中斷進(jìn)行時(shí)間的累積，利用外部中斷實(shí)現(xiàn)濕度上下值的設(shè)定。智能模式下，*先利用外部中斷設(shè)定系統(tǒng)濕度范圍，由單片機(jī)接受該范圍值并控制土壤濕度傳感器不斷地對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換將測(cè)量值輸入到單片機(jī)中并與用戶設(shè)定的濕度上下限值進(jìn)行比較，判斷是否需要進(jìn)行澆水操作。定時(shí)模式下，用戶可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定灌溉時(shí)間，A/D 準(zhǔn)換后單片機(jī)進(jìn)行讀取，控制灌溉模塊在用戶設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行灌溉操作。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。
 
　　四、結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)將單片機(jī)與傳感器結(jié)合，用戶可以隨時(shí)了解當(dāng)前土壤濕度情況，并根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定土壤濕度實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制與智能灌溉，為用戶管理植物提供便利的同時(shí)避免了由于養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)不足而導(dǎo)致的植物死亡情況的發(fā)生。


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