节水灌溉自动控制系统的设计

针对目前农业水资源紧缺且农业用水浪费严重的问题，提出了一种节水灌溉自动控制方案。该方案以微控制器为核心器件，采用无线通信的方式，通过远程控制系统实时采集参数，并以此为依据实时调整阀门开合程度，从而达到节水灌溉的目的。该设计具备较好的实用性，有效地实现了节水灌溉。　　中国农业发展目前面临着两大主要问题：一方面国民经济、生态建设的迅猛发展导致对水资源的需求量越来越大，但是，中国目前的水资源严重不足；另一方面中国农业用水量约占总用水量的80%左右，但有效利用率仅在45%左右，而欧美发达国家一般在70%～80%，这导致中国农业用水浪费现象非常严重[1]。　　因此，在水资源严重不足的情况下，如何有效解决农业用水短缺问题显得迫在眉睫。方法大致有两种：开发新的水资源，但是，此方法投资大、见效慢，受地理环境影响异常明显；另一种方法是发展节水灌溉。节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律而进行的适时灌溉，利用尽可能少的水获得尽可能多的农作物产出的一种灌溉模式[2]。此方法投资相对较小，既有可能实现农业灌溉的自动化，又可能极大提高水资源的利用率。　　基于此，提出一种节水灌溉自动控制系统设计方案，设计了一个基于单片机的节水灌溉自动控制系统，具有实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能，并能根据采集到的有关作物生长的环境参数及所需水量来控制给水的时间和流量。　　1 系统总体设计方案　　目前，国外普遍采用大型分布式微机测控技术实现节水灌溉自动控制。该技术方案摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式，为多种技术的融合，根据采集到的土壤参数、温湿度等环境参数来决定灌溉量与灌溉时间。因此，系统分中央控制系统和远程测控系统两部分进行设计，其系统结构图如图1。其中N为远程测控系统的个数[3]。由图1可见，中央控制系统（主站）主要由微控制器与主PC机构成。远程控制系统（子站）主要实现参数的选定与测量、信息数据传输与处理、控制执行机构的动作等功能。系统选择无线通信方式实现主站与子站之间的信息传输，其系统框图如图2[3]。　　系统主要分为信号采集模块、数据处理模块、数据无线处理模块、控制模块、软件模块这5大功能模块。因此，选择土壤水分、空气的湿度、空气的温度3个参数作为灌溉的因素，测量元件就是测量这3个参数。具体器件选择如下：①空气温湿度测量元件选用CHT-WV02温湿度变送器；②A/D转换器选用ADC0808；③电磁阀选用分布式电磁阀；④无线通信模块选用2FSK解调方式的 PTR8000；⑤核心控制器选用常见的AT89系列单片机；⑥土壤水分测量元件采用TDR3型水分传感器。　　2 系统硬件设计　　2.1 主站硬件设计　　如前所述，主站的功能主要体现如下：通过无线通信方式实现与子站之间的信息传输，即远程控制系统通过相应器件采集土壤水分、温度、湿度等参数后，经过信号调理、模数转换后，通过无线方式传输给主站，主站以此为依据控制阀门水量的大小，也就是确定开关开合的程度。其间，主站中微控制器与主PC机之间采用有线通信方式。　　2.1.1 微控制器与PC机的接口电路 微控制器与PC机之间采用常用的RS-232标准进行数据传输，但是，由于RS-232电平标准与单片机TTL逻辑的电平标准不兼容，因此，必须使用电平转换芯片实现二者之间的电平匹配。在本设计中，选用最常用的MAX232芯片来实现电平匹配。　　TXD与MAX232的T2in相连，经过MAX232转换后，T2out输出的信号进入RXD。同理，TXD与MAX232的R2in相连，经过MAX232转换后，R2out输出的信号进入RXD。如此，便可实现TTL与RS-232之间的逻辑电平转换，使单片机与PC机之间的通信链路接口完成。　　2.1.2 无线射频收发接口电路 由于本单片机不具备SPI接口，所以要利用软件模拟SPI接口来实现单片机与PTR8000之间的通信[5]。　　PTR8000的3个状态输出信号DR、AM、CD分别与单片机的P3.2、P3.4和P3.5管脚相连，以此实现无线模块与单片机的通信控制。其中，AMS1117是低压差三端电压调节器，旨在为PTR8000提供合适的电压。　　2.2 子站硬件设计　　子站主要完成对传感器信号的采集及处理并控制电磁阀动作，达到自动灌溉的目的，由控制单片机、A/D转换模块、土壤水分传感器、温湿度变送器和电磁阀组成。　　2.2.1 土壤水分检测电路 设计采用运算放大器UA741来实现减法电路，其中VH=WATERH，VL=WATERL，△V=WATER。电路如图5所示。注意在采集数据之前，对于运算放大器UA741一定要调零。　　2.2.2 A/D转换接口电路 ADC0808没有内部时钟，所以时钟信号端CLK通过两个D锁存器的分频与单片机的时钟相连。如图6所示，由于ADC0808的转换速度所限制，系统使用2 MHz的晶振，通过两个D锁存器的分频后，ADC0808 CLK端的时钟频率为2 MHz/4=500 kHz。　　2.2.3 显示接口电路 显示接口电路如图7所示。其中，四个晶体管的作用是使得共阳极的LED正常工作，在LED每个光二极管前加了一个限流电阻，是避免LED发光二极管因电流太大而烧坏或寿命减少。　　2.2.4 辅助控制单元设计 ①电磁阀控制单元。由于单片机的输出电流比较小，不能驱动电磁阀工作，所以需接一晶体管进行电流放大从而驱动电磁阀工作，在继电器两端反并一个二极管的作用是防止继电器因过大的电流烧坏或寿命减少。电磁阀控制电路如图8a所示。②报警电路设计。大部分都是使用蜂鸣器来提示或报警，具体如图8b所示。　　

3 系统软件设计　　3.1 主站软件设计　　设计中单片机的主要功能是实现土壤水分、温湿度等参数的实时接收、发射以及数据的串口发送，因此，功能相对较少，在实际设计中只需要合理地初始化外围芯片以及特殊功能寄存器，便可实现数据的实时传输，其主程序流程图如图9所示。此外，在系统设计中，PTR8000为无线收发模块，功能是接收数据并发送数据，其流程图如图10a与10b所示。　　3.2 系统子站软件设计　　3.2.1 数据采集程序设计 数据采集主要是指经传感器采集过来的电压信号，经A/D转换后送到单片机，再通过单片机的软件处理为此电压信号对应的湿度、温度和土壤水分信号，其流程图如图11所示[6]。　　3.2.2 数据处理程序设计 数据处理主要是将从A/D采集来的数据经过一定的软件算法处理后，得到与实际情况最相符的数据，即误差最小，其程序流程图如图12所示[6]。　　3.2.3 数据显示程序设计 显示数据经过译码器74LS138和驱动74LS47将数据送至LED显示。数据显示子程序主要完成将待显示的数据移出单片机，送至译码器74LS138和驱动器74LS47，其程序流图如图13[7]。

4 小结　　设计通过远程控制实施节水灌溉，实现了实时显示检测数据和实时上传检测数据的功能，并能根据采集到的有关作物生长的环境参数及所需水量来控制给水的时间和流量。通过无线遥控节水灌溉技术可节省人力物力，解决当前水资源短缺却又浪费的紧张局势。主站和子站之间采用无线传输，克服了传统有线传输的地域限制，实现了站点之间的数据传送。此外，通过温湿度和水分传感器采集作物土壤及周围环境的信息，可较全面地体现农作物的需水状况，且节约成本，有效地实现了节水灌溉。