呂霽

（黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院,福建 泉州 362000）

蔬菜灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂霽

（黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院,福建 泉州 362000）

針對(duì)蔬菜種植的自動(dòng)化管理提出一種蔬菜噴灌的自動(dòng)控制系統(tǒng).它的實(shí)現(xiàn)方式是用電子水道閥門代替安裝在噴灌裝置上的傳統(tǒng)手動(dòng)水道閥門，并將電子閥門的信號(hào)控制端連接于單片機(jī)上；通過(guò)預(yù)編的單片機(jī)程序?qū)﹄娮娱l門的開啟關(guān)閉以及開啟大小程度等進(jìn)行控制，從而達(dá)到自動(dòng)灌溉控制的目的；有效節(jié)省人力勞動(dòng)程度，提高農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)率.

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化；單片機(jī)；程序設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)關(guān)乎到了人民的生存問(wèn)題，即便在第二產(chǎn)業(yè)與第三產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈而高度發(fā)達(dá)的今天，農(nóng)業(yè)依然有著無(wú)可取代的地位.以往，農(nóng)業(yè)一直作為維持人民基本生存需要的產(chǎn)業(yè)而存在著；然而在物質(zhì)文明生活大幅度改善的今天，人民對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的需求已不再單單停留于維持基本生命的程度，當(dāng)前人民對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求相比較于過(guò)去，無(wú)論在數(shù)量或種類上都有了大幅度提升.在農(nóng)產(chǎn)品需求量如此龐大的今天，舊式的人工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已難已滿足人民的需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式急需變革，機(jī)械化與自動(dòng)化的生產(chǎn)方式則是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)變革中的主流方向.噴灌作為一種現(xiàn)代的灌溉方式，相對(duì)于過(guò)去的人工灌溉有了很大的進(jìn)步，它通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴頭，對(duì)一定區(qū)域范圍內(nèi)的蔬菜自動(dòng)地進(jìn)行澆水灌溉.顯然，這種自動(dòng)化方式的設(shè)計(jì)不夠全面.旋轉(zhuǎn)噴頭的噴水范圍只能覆蓋以噴頭為圓心，半徑為2米左右的圓形區(qū)域；現(xiàn)代化的蔬菜種植地面積都較大，在一片種植區(qū)域內(nèi)往往需要安裝幾十個(gè)甚至上百個(gè)的灌溉噴頭才能夠滿足蔬菜總體的灌溉需求；通過(guò)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行灌溉節(jié)約了大量人力勞動(dòng)，但在大范圍面積內(nèi)逐個(gè)開啟與關(guān)閉噴頭管道閘門依然會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間與勞動(dòng)力；隨著氣候與天氣的變化，蔬菜每天所需的灌溉量也不盡相同，這使得菜農(nóng)需要根據(jù)每天的氣候情況來(lái)調(diào)節(jié)噴頭管道閥門的大小來(lái)控制灌溉量以滿足蔬菜每天的水分需求；這無(wú)疑給菜農(nóng)帶來(lái)了巨大的不便與麻煩.為了解決該問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更高程度的灌溉自動(dòng)化，這里設(shè)計(jì)了一套灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)收集外界環(huán)境的溫度和濕度信息，在單片機(jī)中進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理后，對(duì)噴頭管道的閘門開關(guān)進(jìn)行節(jié)度控制，自動(dòng)地保證蔬菜所需灌溉量，免除了菜農(nóng)手動(dòng)控制閘門的繁瑣工作，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率.

1 硬件結(jié)構(gòu)搭載

蔬菜灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行流程概述.溫度傳感器與濕度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的溫度與濕度信息，并將該信息以信號(hào)形式傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中心處理系統(tǒng)；單片機(jī)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到電子閥門信號(hào)輸入端口，最后電子閥門根據(jù)收到的信號(hào)調(diào)節(jié)閥門口的開度控制水流.該過(guò)程以30秒為周期循環(huán)執(zhí)行，當(dāng)灌溉量達(dá)到每日所需值時(shí)，所有閥門口自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)切換至待機(jī)休眠狀態(tài).為了保證系統(tǒng)功能順利實(shí)現(xiàn)，需要先進(jìn)行系統(tǒng)的硬件搭建.該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由外界信息采集模塊（即溫度傳感器與濕度傳感器）、數(shù)據(jù)設(shè)置模塊（電子數(shù)字板）、數(shù)據(jù)處理模塊（單片機(jī)）、執(zhí)行控制模塊（電子水道閥門）組成.以下就主要模塊的選型及硬件接線設(shè)置進(jìn)行相關(guān)說(shuō)明.

溫度傳感器與濕度傳感器分別選用CWDZ11溫度變送器與CWS11濕度變送器，CW型傳感器的讀數(shù)精確程度達(dá)0.01數(shù)量級(jí)，讀數(shù)周期達(dá)200ms，能夠達(dá)到時(shí)刻準(zhǔn)確獲取環(huán)境信息的需要.單片機(jī)選用STC89C開發(fā)板，該單片機(jī)上分別有5個(gè)輸入輸出端口，在輸入端口中有三個(gè)為高速I口，能夠保證時(shí)刻準(zhǔn)確獲取信息采集模塊處的環(huán)境信息.電子閥門選用ZC222W電磁水閥門，該電子水閥門具有5個(gè)開度，能夠變換五種水流流量，滿足不同氣候下的不同灌溉水流量需求.在硬件接線設(shè)置方面，溫度傳感器與濕度傳感器分別用導(dǎo)線接于單片機(jī)的P1、P2高速輸入端口，電子數(shù)字板接于P5普通輸入端口，所有電子水閥門信號(hào)端口接于O1輸出端口處.由此便完成了硬件結(jié)構(gòu)的搭載設(shè)計(jì).

2 程序設(shè)計(jì)

完成硬件結(jié)構(gòu)搭載設(shè)計(jì)后，需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的程序設(shè)置，寫入單片機(jī)后便可保證系統(tǒng)的順利運(yùn)行.單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)有匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)兩種方式，為了程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便及后期修改方便的需要，在本系統(tǒng)中采用C語(yǔ)言進(jìn)行執(zhí)行程序設(shè)計(jì).程序由信號(hào)采集函數(shù)，用戶輸入采集函數(shù)，信號(hào)處理函數(shù)，主函數(shù)循環(huán)體四部分構(gòu)成.以下就各部分程序的代碼設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明.

2.1 信號(hào)采集函數(shù)設(shè)計(jì)

為了滿足短周期循環(huán)讀取傳感器信息的需要，在信號(hào)采集函數(shù)構(gòu)建之前預(yù)先構(gòu)建一個(gè)延時(shí)函數(shù).將函數(shù)名設(shè)置為delay()，函數(shù)返回值設(shè)置為空，將函數(shù)傳入?yún)?shù)值設(shè)置為unsignedint類型，命名為xms；delay()函數(shù)體內(nèi)聲明兩個(gè)unsignedint類型變量，分別將其命名為x，y；接下來(lái)，構(gòu)建兩個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句，在兩個(gè)for循環(huán)語(yǔ)句中，分別將xms的值賦予x，將110常量賦值予y，循環(huán)條件為變量x>0，y>0，單次循環(huán)遞減；由此便完成了延遲函數(shù)的構(gòu)建.下一步，進(jìn)行信號(hào)采集函數(shù)的構(gòu)建.創(chuàng)建一個(gè)新函數(shù)，將函數(shù)名命名為GetSignal（），將函數(shù)返回值設(shè)置為空，設(shè)置兩個(gè)傳入?yún)?shù)，將參數(shù)設(shè)置為Double*的雙浮點(diǎn)指針類型，將兩個(gè)形式參數(shù)分別命名為tem和hum；接下來(lái)，在函數(shù)體內(nèi)構(gòu)建一個(gè)while()循環(huán)體，設(shè)置循環(huán)條件設(shè)置為無(wú)條件循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)將P1數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為double類型后，賦值予*tem變量，將P2數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為double類型后，賦值予*hum變量；在while循環(huán)體內(nèi)調(diào)用之前預(yù)先設(shè)置的delay()函數(shù)，將該函數(shù)參數(shù)設(shè)置為50.完成一個(gè)每50ms讀取一次信息的信號(hào)采集函數(shù).

2.2 用戶輸入采集函數(shù)設(shè)計(jì)

用戶輸入函數(shù)用于獲取用戶的溫度，濕度范圍設(shè)置數(shù)值，50%濕度條件下的流量極限值及各個(gè)范圍所對(duì)應(yīng)的閥門開度數(shù)值.創(chuàng)建一個(gè)新的函數(shù)，命名為GetInput（），返回值設(shè)置為空，傳入?yún)?shù)設(shè)置為4個(gè)，將前兩個(gè)參數(shù)類型設(shè)置為double*指針類型，并分別命名為min，max；將第三個(gè)參數(shù)設(shè)置為inta[5][5]的5行5列二維數(shù)組類型，將第四個(gè)參數(shù)設(shè)置為int*類型，命名為flow.在該函數(shù)體內(nèi)構(gòu)建一個(gè)for類型循環(huán)體，將所設(shè)置的二維數(shù)組的行列標(biāo)號(hào)作為循環(huán)數(shù)；在循環(huán)體內(nèi)遍歷該二維數(shù)組，將用戶輸入的25個(gè)數(shù)值進(jìn)行2^n計(jì)算后，賦值給數(shù)組的每個(gè)成員.完成用戶輸入采集函數(shù)的設(shè)計(jì).

2.3 信號(hào)處理函數(shù)設(shè)計(jì)

信號(hào)處理函數(shù)的功能是將輸入信息與輸出信息進(jìn)行相關(guān)映射.它是整個(gè)程序部分的主體和核心.設(shè)計(jì)信號(hào)處理函數(shù)，應(yīng)先構(gòu)建一個(gè)新函數(shù)，命名為Signal Deal()，將函數(shù)返回值設(shè)置為int類型.函數(shù)構(gòu)建完成后，在函數(shù)體內(nèi)聲明4個(gè)double類型的變量，分別命名為 tem，hum，min，max；同時(shí)聲明1個(gè)int類型變量，命名為flow，隨后，聲明4個(gè)double*類型的指針變量，并分別命名為tempointer，humpointer，minpointer，maxpointer；同時(shí)，將變量tem與hum的地址分別賦值予其對(duì)應(yīng)指針變量；聲明一個(gè)int*類型的指針變量，命名為flowpointer，在所有的變量和指針聲明完成之后，再聲明一各5行5類的int類型數(shù)組及一個(gè)int類型變量b.在函數(shù)體內(nèi)調(diào)用GetSignal()函數(shù)，將*tempointer，*humpointer作為實(shí)際參數(shù)傳入該函數(shù)中，用以獲取當(dāng)前的溫度與濕度信息；在該函數(shù)下方調(diào)用GetInpit()函數(shù)，將*minpointer，*maxpointer，*flow，a[5][5]作為實(shí)際參數(shù)傳入函數(shù)中，獲取相關(guān)的用戶輸入信息.

在下方創(chuàng)建一個(gè)if（）條件循環(huán)結(jié)構(gòu)，條件語(yǔ)句數(shù)目設(shè)置為5，執(zhí)行條件設(shè)置為min+((i-1)/5)(max-min)<*tem&&tem

2.4 主函數(shù)循環(huán)體相關(guān)程序設(shè)計(jì)

函數(shù)模塊設(shè)計(jì)完成之后，各函數(shù)模塊無(wú)法自行執(zhí)行程序，各個(gè)函數(shù)模塊之間的調(diào)用，執(zhí)行，關(guān)系需依賴于主函數(shù).構(gòu)建主函數(shù)，在函數(shù)下聲明一個(gè)bool類型變量，將其命名為T，將其賦值為true，同時(shí)聲明一個(gè)int類型變量，將其命名為c，在該語(yǔ)句下方創(chuàng)建一個(gè)while循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)條件為T=true.在該循環(huán)語(yǔ)句中調(diào)用Signal Deal（）信號(hào)處理函數(shù)，將該函數(shù)的返回值賦值予c，將c的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化為bit類型，調(diào)用biton命令語(yǔ)句作用于數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化之后的c值，達(dá)到對(duì)電子閥門的開度控制.接下來(lái)，在bit on執(zhí)行命令下方創(chuàng)建一條件判斷語(yǔ)句，條件判斷內(nèi)容為value==flow*(0.5-(hum-0.5))(value為電子閥門反饋回單片機(jī)的總流量數(shù)據(jù))，判斷當(dāng)天灌溉量是否達(dá)到當(dāng)日要求；在條件體中執(zhí)行biton0與T=false命令，即流量達(dá)標(biāo)后關(guān)閉所有閥門并退出當(dāng)前循環(huán).在主函數(shù)中調(diào)用timer()計(jì)時(shí)命令，計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為24小時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)完成后，將T的bool值重新改為True，使新階段的主函數(shù)循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)將計(jì)時(shí)器清零，重新計(jì)時(shí).至此，所有程序設(shè)計(jì)內(nèi)容完成.

3 硬件與程序的關(guān)聯(lián)與系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

在分別完成硬件搭建和程序設(shè)計(jì)之后，需要將硬件與程序相互關(guān)聯(lián)，預(yù)期的系統(tǒng)功能才能夠得以實(shí)現(xiàn).在硬件與程序進(jìn)行相關(guān)聯(lián)之前，需要將單片機(jī)切換到程序載入模式，用232通信線將單片機(jī)與寫有相關(guān)程序的PC端連接，并在PC端設(shè)置相關(guān)通信參數(shù)；最后使用233協(xié)議通信助手，將PC端程序?qū)雴纹瑱C(jī)中，在程序?qū)胪瓿芍髮纹瑱C(jī)切換至工作模式，預(yù)期系統(tǒng)功能便能夠順利實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)論

素菜灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)是針對(duì)當(dāng)前人工灌溉費(fèi)時(shí)費(fèi)力的實(shí)際情況所提出來(lái)的一種減輕菜農(nóng)工作負(fù)擔(dān)，提高菜農(nóng)工作效率的符合未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的新式自動(dòng)控制系統(tǒng).它的實(shí)現(xiàn)方式是系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器與濕度傳感器對(duì)外界環(huán)境信息的采集與用戶預(yù)先輸入信息進(jìn)行綜合處理和分析后對(duì)水道閥門進(jìn)行相應(yīng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜的自動(dòng)智能噴灌.

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Design of Automatic Control System for Irrigation of Vegetables

LV Ji
(College of Information and Electronic Engineering, Liming Vocational University,Quanzhou Fujian,362000)

An automatic control system for irrigation of vegetables is proposed for the automatic management of vegetable planting.The realization method of the electronic water channel valve is used to replace the traditional manual waterway valve installed on the spray irrigation device,and the signal control end of the electronic valve is connected with the singlechip microcomputer.Through the pre-microcontroller program on electronic gate,we can control opening,closing and the opening degree of control,so as to achieve the purpose of automatic irrigation control to effectively save the labor level and improve the agricultural productivity.

Agricultural Automation;Singlechip;Program Design

張隆輝

TP29

A

1672-2094（2017）05-0144-03

2017-06-20

呂 霽（1979-），男，湖北蘄春人，黎明職業(yè)大學(xué)講師，碩士.研究方向：多媒體和虛擬技術(shù).