蔬菜灌溉自动控制系统设计

吕霁

（黎明职业大学信息与电子工程学院,福建 泉州 362000）

蔬菜灌溉自动控制系统设计

吕霁

（黎明职业大学信息与电子工程学院,福建 泉州 362000）

针对蔬菜种植的自动化管理提出一种蔬菜喷灌的自动控制系统.它的实现方式是用电子水道阀门代替安装在喷灌装置上的传统手动水道阀门，并将电子阀门的信号控制端连接于单片机上；通过预编的单片机程序对电子闸门的开启关闭以及开启大小程度等进行控制，从而达到自动灌溉控制的目的；有效节省人力劳动程度，提高农业种植生产率.

农业自动化；单片机；程序设计

农业作为第一产业关乎到了人民的生存问题，即便在第二产业与第三产业作为国家经济命脉而高度发达的今天，农业依然有着无可取代的地位.以往，农业一直作为维持人民基本生存需要的产业而存在着；然而在物质文明生活大幅度改善的今天，人民对于农产品的需求已不再单单停留于维持基本生命的程度，当前人民对农产品的需求相比较于过去，无论在数量或种类上都有了大幅度提升.在农产品需求量如此庞大的今天，旧式的人工农业生产方式已难已满足人民的需求，农业生产方式急需变革，机械化与自动化的生产方式则是农业生产变革中的主流方向.喷灌作为一种现代的灌溉方式，相对于过去的人工灌溉有了很大的进步，它通过旋转喷头，对一定区域范围内的蔬菜自动地进行浇水灌溉.显然，这种自动化方式的设计不够全面.旋转喷头的喷水范围只能覆盖以喷头为圆心，半径为2米左右的圆形区域；现代化的蔬菜种植地面积都较大，在一片种植区域内往往需要安装几十个甚至上百个的灌溉喷头才能够满足蔬菜总体的灌溉需求；通过自动旋转喷头进行灌溉节约了大量人力劳动，但在大范围面积内逐个开启与关闭喷头管道闸门依然会耗费大量时间与劳动力；随着气候与天气的变化，蔬菜每天所需的灌溉量也不尽相同，这使得菜农需要根据每天的气候情况来调节喷头管道阀门的大小来控制灌溉量以满足蔬菜每天的水分需求；这无疑给菜农带来了巨大的不便与麻烦.为了解决该问题，实现更高程度的灌溉自动化，这里设计了一套灌溉自动控制系统，该系统通过收集外界环境的温度和湿度信息，在单片机中进行相关的数据处理后，对喷头管道的闸门开关进行节度控制，自动地保证蔬菜所需灌溉量，免除了菜农手动控制闸门的繁琐工作，提高农业生产率.

1 硬件结构搭载

蔬菜灌溉自动控制系统执行流程概述.温度传感器与湿度传感器采集当前环境的温度与湿度信息，并将该信息以信号形式传输到单片机中心处理系统；单片机对相关信息进行数据处理，并将数据信号传送到电子阀门信号输入端口，最后电子阀门根据收到的信号调节阀门口的开度控制水流.该过程以30秒为周期循环执行，当灌溉量达到每日所需值时，所有阀门口自动关闭，系统切换至待机休眠状态.为了保证系统功能顺利实现，需要先进行系统的硬件搭建.该系统的硬件结构由外界信息采集模块（即温度传感器与湿度传感器）、数据设置模块（电子数字板）、数据处理模块（单片机）、执行控制模块（电子水道阀门）组成.以下就主要模块的选型及硬件接线设置进行相关说明.

温度传感器与湿度传感器分别选用CWDZ11温度变送器与CWS11湿度变送器，CW型传感器的读数精确程度达0.01数量级，读数周期达200ms，能够达到时刻准确获取环境信息的需要.单片机选用STC89C开发板，该单片机上分别有5个输入输出端口，在输入端口中有三个为高速I口，能够保证时刻准确获取信息采集模块处的环境信息.电子阀门选用ZC222W电磁水阀门，该电子水阀门具有5个开度，能够变换五种水流流量，满足不同气候下的不同灌溉水流量需求.在硬件接线设置方面，温度传感器与湿度传感器分别用导线接于单片机的P1、P2高速输入端口，电子数字板接于P5普通输入端口，所有电子水阀门信号端口接于O1输出端口处.由此便完成了硬件结构的搭载设计.

2 程序设计

完成硬件结构搭载设计后，需要对单片机进行相关的程序设置，写入单片机后便可保证系统的顺利运行.单片机的程序设计有汇编语言程序设计与C语言程序设计两种方式，为了程序设计简便及后期修改方便的需要，在本系统中采用C语言进行执行程序设计.程序由信号采集函数，用户输入采集函数，信号处理函数，主函数循环体四部分构成.以下就各部分程序的代码设计进行详细说明.

2.1 信号采集函数设计

为了满足短周期循环读取传感器信息的需要，在信号采集函数构建之前预先构建一个延时函数.将函数名设置为delay()，函数返回值设置为空，将函数传入参数值设置为unsignedint类型，命名为xms；delay()函数体内声明两个unsignedint类型变量，分别将其命名为x，y；接下来，构建两个for循环语句，在两个for循环语句中，分别将xms的值赋予x，将110常量赋值予y，循环条件为变量x>0，y>0，单次循环递减；由此便完成了延迟函数的构建.下一步，进行信号采集函数的构建.创建一个新函数，将函数名命名为GetSignal（），将函数返回值设置为空，设置两个传入参数，将参数设置为Double*的双浮点指针类型，将两个形式参数分别命名为tem和hum；接下来，在函数体内构建一个while()循环体，设置循环条件设置为无条件循环，在循环体内将P1数据类型转换为double类型后，赋值予*tem变量，将P2数据类型转换为double类型后，赋值予*hum变量；在while循环体内调用之前预先设置的delay()函数，将该函数参数设置为50.完成一个每50ms读取一次信息的信号采集函数.

2.2 用户输入采集函数设计

用户输入函数用于获取用户的温度，湿度范围设置数值，50%湿度条件下的流量极限值及各个范围所对应的阀门开度数值.创建一个新的函数，命名为GetInput（），返回值设置为空，传入参数设置为4个，将前两个参数类型设置为double*指针类型，并分别命名为min，max；将第三个参数设置为inta[5][5]的5行5列二维数组类型，将第四个参数设置为int*类型，命名为flow.在该函数体内构建一个for类型循环体，将所设置的二维数组的行列标号作为循环数；在循环体内遍历该二维数组，将用户输入的25个数值进行2^n计算后，赋值给数组的每个成员.完成用户输入采集函数的设计.

2.3 信号处理函数设计

信号处理函数的功能是将输入信息与输出信息进行相关映射.它是整个程序部分的主体和核心.设计信号处理函数，应先构建一个新函数，命名为Signal Deal()，将函数返回值设置为int类型.函数构建完成后，在函数体内声明4个double类型的变量，分别命名为 tem，hum，min，max；同时声明1个int类型变量，命名为flow，随后，声明4个double*类型的指针变量，并分别命名为tempointer，humpointer，minpointer，maxpointer；同时，将变量tem与hum的地址分别赋值予其对应指针变量；声明一个int*类型的指针变量，命名为flowpointer，在所有的变量和指针声明完成之后，再声明一各5行5类的int类型数组及一个int类型变量b.在函数体内调用GetSignal()函数，将*tempointer，*humpointer作为实际参数传入该函数中，用以获取当前的温度与湿度信息；在该函数下方调用GetInpit()函数，将*minpointer，*maxpointer，*flow，a[5][5]作为实际参数传入函数中，获取相关的用户输入信息.

在下方创建一个if（）条件循环结构，条件语句数目设置为5，执行条件设置为min+((i-1)/5)(max-min)<*tem&&tem

2.4 主函数循环体相关程序设计

函数模块设计完成之后，各函数模块无法自行执行程序，各个函数模块之间的调用，执行，关系需依赖于主函数.构建主函数，在函数下声明一个bool类型变量，将其命名为T，将其赋值为true，同时声明一个int类型变量，将其命名为c，在该语句下方创建一个while循环结构，循环条件为T=true.在该循环语句中调用Signal Deal（）信号处理函数，将该函数的返回值赋值予c，将c的数据类型转化为bit类型，调用biton命令语句作用于数据类型转化之后的c值，达到对电子阀门的开度控制.接下来，在bit on执行命令下方创建一条件判断语句，条件判断内容为value==flow*(0.5-(hum-0.5))(value为电子阀门反馈回单片机的总流量数据)，判断当天灌溉量是否达到当日要求；在条件体中执行biton0与T=false命令，即流量达标后关闭所有阀门并退出当前循环.在主函数中调用timer()计时命令，计时时长设置为24小时，当计时完成后，将T的bool值重新改为True，使新阶段的主函数循环得以实现，同时将计时器清零，重新计时.至此，所有程序设计内容完成.

3 硬件与程序的关联与系统功能的实现

在分别完成硬件搭建和程序设计之后，需要将硬件与程序相互关联，预期的系统功能才能够得以实现.在硬件与程序进行相关联之前，需要将单片机切换到程序载入模式，用232通信线将单片机与写有相关程序的PC端连接，并在PC端设置相关通信参数；最后使用233协议通信助手，将PC端程序导入单片机中，在程序导入完成之后将单片机切换至工作模式，预期系统功能便能够顺利实现.

4 结论

素菜灌溉自动控制系统是针对当前人工灌溉费时费力的实际情况所提出来的一种减轻菜农工作负担，提高菜农工作效率的符合未来农业生产发展的新式自动控制系统.它的实现方式是系统通过温度传感器与湿度传感器对外界环境信息的采集与用户预先输入信息进行综合处理和分析后对水道阀门进行相应控制，从而实现对蔬菜的自动智能喷灌.

[1]王文全.基于Serial Port的串口通信系统实现[J].科技广场，2011（5）：21-23.

[2]陈彩蓉.GPS技术及其在农业中的应用[J].农业装备技术，2008，34（6）：14-16.

[3]王鹏，王熙.基于C#的嵌入式农机GPS辅助导航串口通信程序的设计[J].农机化研究，2013，35(9):78-81.

[4]杨玉建，朱建华，尚明华，等.精准农业关键技术及其发展前景[J].山东农业科学，2006（6）：66-69.

[5]罗锡文，臧英，周志艳.精细农业中农情信息采集技术的研究进展[J].农业工程学报，2006,22（1）：167-172.

[6]田泽．嵌入式系统开发与应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005：90-98.

[7]李穗平.军用机器人的发展及其应用[J].电子工程师,2007,33(5):64:66

[8]汪燊，刘得赢.“3S”技术在精准农业中的应用研究[J].和田师范专科学校学报，2006,26（5）：166-167.

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

张隆辉

TP29

A

1672-2094（2017）05-0144-03

2017-06-20

吕 霁（1979-），男，湖北蕲春人，黎明职业大学讲师，硕士.研究方向：多媒体和虚拟技术.