智能灌溉控制系統的設計

楊亞男 袁英

關鍵詞： 智能灌溉 控制系統 無線交互 數據庫 智慧農業

農業是社會生產和科技發展的基石，隨著科技化、信息化程度的提高，傳統農業逐步向“智慧農業”方向發展，其中最為突出的表現就是灌溉方式的變革。智能化、精確化的灌溉方式不僅是緩解水資源匱乏的重要途徑，也有助于實現農業現代化，提高農業生產效率[1]。傳統的農業灌溉方式多為漫灌，控制方式粗放，水資源利用率低且灌溉水量分布不均效果差?，F代農業灌溉多采用智能化的滴灌、噴灌、微灌等節水型灌溉措施，容易實現智能化控制，精細化程度高[2]。

該研究設計了一款基于STC8A8K64D4 微控制器（MCU）的智能灌溉控制系統，能夠實現對土壤溫濕度、環境溫度的檢測，通過與農業專家系統數據庫中的灌溉觸發閾值對比，實現對灌溉系統的控制。該系統可應用在不同地域、不同季節、不同種類作物的灌溉過程中，又能將灌溉閾值、灌溉程度等經驗數值反饋填充至農業專家系統數據庫中，進一步實現對控制系統數據的補充、優化和完善，提高系統智能化、精細化程度。

1 總體設計

控制系統總體結構包含硬件和軟件兩個部分，采用模塊化的設計理念實現灌溉系統的智能控制。硬件部分主要包含中心控制單元、溫濕度信號采集電路、顯示及報警電路和無線數據交互模塊等。軟件部分為系統的主控程序設計及數據管理方案，主要涉及C 語言編程的主驅動程序及線上農業專家系統數據庫。

該系統的微控制單元（MCU）選用STC8A8K64D4單片機，是目前市場上主流的單片機，具有性價比高、低功耗、抗干擾能力強等優點，被廣泛應用在各種家電、汽車電子以及消費類電子行業。MCU 通過其內部EEPROM 存儲的數據與農業專家系統數據庫進行數據交互，根據專家庫系統數據設定灌溉程度等閾值，也可實現對專家庫數據的補充、優化。

系統工作過程中通過溫濕度傳感器采集土壤溫濕度情況，使用溫度傳感器作為電機過熱保護部分的溫度采集裝置并在模數轉換單元（ADC）完成模擬溫度信號到數據信號的轉換。土壤溫濕度數據及電機運行溫度數據由實時時鐘單元（RTC）通過DS1302 芯片提供時間信息對其設置時間戳。手動閾值調節部分通過按動按鍵完成灌溉系統的控制和溫濕度閾值調整功能，顯示部分通過LED 完成系統工作狀態指示功能、LCD顯示屏顯示時間或溫濕度狀態。

2 硬件電路設計

智能灌溉控制系統硬件部分包含中心控制單元、溫濕度信號采集電路、顯示及報警電路和無線數據交互模塊等。該應用場景下，中心控制單元的MCU、溫濕度信號采集電路中的傳感器和顯示及報警電路中的邏輯器件在市面上可選擇的種類繁多，例如：溫濕度傳感器的型號有DHT11、DHT22、DS18B20、LM35、UTU21D等不同的種類，且可選貼片式或插件式封裝，顯示驅動電路有74HC373、74HC573、74HC138、74HC02 以及三極管等不同的方案，顯示器件也有數碼管、LCD1602、LCD12864、OLEA12864、TFT2.4 等多種類。結合市場相關產品應用情況、方案的魯棒性和使用壽命、性價比等多方面因素，最終確定設計方案。

2. 1 中心控制單元

中心控制單元的核心部件MCU 單片可選方案有：IAP15W4K58S4、STC89C52RC、STC8A8K64D4、STC15W408等，各種型號均可選用直插或者貼片封裝，該系統結合市場情況及性價比選用貼片式STC8A8K64D4 單片機作為微控制器構成中心控制單元。中心控制單元主要包含單片機電路、晶振電路、復位電路三部分[3]。單片機電路主要由STC8A8K64D4 芯片IO 口引線構成，與其他外圍部件實現數據交互；外部晶振電路由兩個電容CY3 和CY4、12M 晶振CY2 構成最后接入單片機的P16 和P17 兩管腳；復位電路由1 K 電阻R3、1 μF 電容CR1 及按鍵S1 構成，中心控制單元原理圖如圖1 所示。

2. 2 溫濕度信號采集電路

灌溉電機常用繼電器進行控制，電機運行中內部構件的發熱問題不可避免，常使用溫度傳感器構成的電機過熱保護系統提高電機運行中的安全、穩定性。該設計使用DS18B20 作為電機內部環境溫度信息采集數字溫度傳感器，其體積小、抗干擾能力強、精度高，硬件開銷成本低。DS18B20 是美國Dallas 公司生產的單總線數字溫度計，可以在一根數據線實現數據的雙向傳輸，溫度的測量范圍在?20℃～100℃之間。DS18B20 有多種不同的封裝，甚至可以隨使用環境而進行個性化封裝，滿足該系統中電機內部溫度監測的要求[4]。

土壤溫濕度信息在系統控制中是至關重要的環境信息，該設計使用DHT11 作為土壤溫濕度信號采集裝置，其響應快、抗干擾能力強，性價比高且能方便與MCU 進行信息交互。DHT11 數字溫濕度傳感器是一款復合型溫濕度信息采集傳感器，其傳感器部分由一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件構成。DHT12核心部件則由濕敏電容構成，穩定性更好，但成本高。DHT11 傳感器為4 針單排引腳封裝，其輸出是極為精確的已校準數字信號，采用單線制串行接口，提高系統的集成度，信號傳輸距離可達20 m 以上，適用于要求較為苛刻的場合[5]。

2. 3 無線數據交互模塊

目前常見的無線數據傳輸技術主要有Wi-Fi、藍牙、ZigBee 這3 種方案，但這3 種方案受傳輸距離或網絡覆蓋廣度影響，不適用于大范圍長距離信號傳輸[6]。該系統采用LoRa（Long Range）無線通信模塊完成此功能，經過市場對比分析，采用高性價比的KT-FCC68 雙向收發LoRa 模塊完成傳感器終端、農業專家系統數據庫終端的數據無線傳輸與交互。該模塊是以美國Semtech 公司的射頻芯片LLCC68 芯片為核心進行自主設計研發的無線射頻模塊，廣泛應用于農業傳感器終端、智能電表、安防傳感器等物聯網無線通信領域。其具有超過-129 dBm 的高靈敏度，22 dBm 的功率輸出，體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點。

KT-FCC68 無線模塊傳輸距離理想情況下達5 km，可以大幅減少中繼器的使用，簡化了系統設計，從而大幅度降低成本，除此之外，模塊末端節點電量需求極低，大幅度延長了電池供電的時間，最大化了電池的使用壽命，改善了網絡的容量和擴展性。KT-FCC68 信號接收端LoRa 模塊與主控MCU 通信接口除了SPI 接口外，還要把BUSY、IRQ 連接到主控MCU 的IO 口，模組的IO 口是3.3 V，通過電平轉換電路實現主控MCU 模塊與模組的IO 電平匹配。信號發射端為DH11、DS18B20 等傳感器終端，通信方法、接線與KT-FCC68 信號接收端遵循相同方法。通過內部程序及軟件設置，可實現無線主接收模塊與多個終端子模塊一對多的信息傳輸模式。

2. 4 顯示及報警電路

該系統報警電路部分主要采用蜂鳴器、LED 燈電路進行預警信息提示，信息顯示部分主要采用12864液晶顯示屏進行實時數據顯示。系統通過EEPROM存儲溫濕度閾值，同時通過讀取DS1302 時鐘芯片相關寄存器獲得時間數值，并將信息顯示在12864 液晶屏上。自動工作狀態下，可通過按鍵調整和保存閾值信息，根據濕度數據由繼電器模塊自動對灌溉設備進行開關控制，以LED 燈L10 作為設備的運轉指示；手動工作狀態下，可人工操作按鍵控制繼電器打開或關閉灌溉設備。蜂鳴器接線圖見圖2，繼電器和指示燈接線圖見圖3。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包含系統主控程序的設計及信息管理方案兩部分，系統的主控程序下載運行于MCU 所在的中心控制單元，信息的管理方案是對分布式的多傳感器終端獲取環境信息的數據處理。整個系統數據通信功能通過無線數據交互模塊實現，形成智能化、精細化的灌溉控制軟件系統。

系統硬件控制編程采用模塊化思想，在Keil uVision5開發環境下，使用可讀性高的C 語言對MCU 主控程序進行開發設計。主控程序運行中主要涉及溫濕度信號采集電路和顯示及報警電路兩部分，通過程序控制的傳感器主要包括：分布在田間采集土壤墑情的DHT11 溫濕度傳感器模塊以及電機過熱保護系統中的DS18B20 傳感器，顯示及報警電路中的繼電器、蜂鳴器、指示燈、液晶顯示屏和按鍵。通過對各外圍傳感器、執行器件、指示器件進行分布式驅動控制、數據集中化管理，實現系統的高效、智能化運行。開發思路更為清晰，代碼移植性更好，系統主控程序的控制流程如圖4 所示，信息管理方案如圖5 所示。

系統主控程序以土壤濕度信息作為控制信號，系統初始化的過程包括對各傳感器工作模式的配置、液晶屏和LED 燈等顯示信息的確認、無線模塊主從收發信息的測試等。初始化完成后通過KT-FCC68 無線模塊與農業專家系統數據庫中的數據進行交互，即從農業專家系統數據庫中獲取特定的某種作物不同生長周期適宜的溫度、濕度數據，將EEPROM 存儲單元中的數據保存在農業專家系統數據庫緩存中。接下來通過分布式的各個傳感器模塊進行信息采集，其中模擬信息由A/D 轉換成數字信號后，所有的數字信號由KTFCC68無線模塊傳回主控平臺進行數據分析，進而實現對灌溉系統的控制。

整個系統控制中數據的管理方案涉及農業專家系統庫、分布式傳感器模塊和顯示及控制信號這3 個部分。農業專家系統數據庫是人工智能知識工程的產物，是大量農事寶貴經驗的智能化匯集，包括水稻、麥類、玉米、雜糧、豆類、薯類、棉麻、油料、糖煙茶桑及藥用植物等典型作物在不同生育期，根據不同的溫度、濕度等生態條件合理選擇灌溉情況，以達到水分和產量的最優化[7]。分布式傳感器模塊主要包含散布在田間進行溫濕度采樣的傳感器模塊，通過各類傳感器獲取干旱和灌溉情況，并結合相應的時間戳預測灌溉所需用水量或灌溉時間。顯示信息通過指示燈、顯示屏進行可視化，控制信息主要通過繼電器控制終端灌溉設備的運行狀態，通過蜂鳴器和指示燈進行信息的告警。

4 結語

該設計以STC8A8K64D4 單片機為主控芯片，使用DHT11 傳感器檢測土壤溫濕度信息，DS18B20 傳感器作為電機過熱保護系統中的溫度采集裝置，由DS1302芯片獲取各數據的時間戳，分布式傳感器獲取到的環境信息通過KT-FCC68 雙向收發LoRa 模塊實現主從機間信息的無線傳輸。系統中控制閾值數據來源于農業專家系統數據庫，并將使用中控制閾值的調節情況反饋至農業專家系統數據庫，補充或調整庫中的經驗數據，實現了灌溉系統控制的智能化。該系統有助于提高農業生產效率和水資源的利用率，尤其適用于滴灌、噴灌、微灌等新型節水型灌溉控制系統，隨著新型灌溉模式在農業經濟型作物種植中的普及，使得該控制方法有了廣泛的應用和發展空間，對智慧農業的發展和實現具有深遠的意義。