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基于单片机的自动灌溉系统的设计.docx

花匠小妙招
2024-09-10 11:22

文档简介

引言随着信息化社会的到来，人们的生活逐渐走向了智能时代，我国的农业耕作产业也逐渐走向了智能化。水分是作物生长发育的基本条件，土壤湿度就成为了作物产量预报的重要参数之一。不同的植物对土壤湿度的需求不同，湿度过大或过小都会影响植物的正常生长，因此，获取土壤湿度信息以对不同植物个性化制定人工干预调节措施是保障作物稳固生产的重要措施。普通的节水自动灌溉系统着重解决简单的管道恒压反馈控制问题，较少顾及植物灌溉非线性、时变性，大延迟的特点，而且节水灌溉系统中的土壤含水量的参数测量方法有多种，但是能够实现快速准确地测量存在一定的难度，而测量的准确与否直接影响到后续灌溉控制的好坏。笔者针对农业生产种植户设计了一种基于AT89S52单片机的农业智能灌溉系统，成本低且能够实时有效检测土壤墒情，并根据植物需水特性适量、适时、按需自动灌溉，如此不仅可以保证作物产量，还能节约水资源。2单片机自动灌溉及工作原理单片机自动灌溉系统的结构如图2-1所示。单片机自动灌溉系统主要由控制器、过滤器、文丘里吸肥器、传感器、液位计、水泵、化肥泵、电磁阀等组成。一定EC值和pH值的单片机一体机的工作过程是：农艺师设定好要调整的单片机EC值和pH值后，单片机一体机开始工作，首先启动水泵，过滤水源中的灌溉用水，单片机一体机的工作流程是：农艺师设定好要调整的单片机EC值和pH值后，单片机一体机开始工作，首先启动水泵，过滤水源中的灌溉水。泵被泵入化肥箱。当水位通过低液位时，化肥泵开始工作，并将水泵入树枝。水从树枝流入文丘里肥料吸收器。当EC传感器和pH传感器检测到当前的水和肥料时，当EC值和pH值未达到设定值时，控制器将根据算法控制母液槽、酸槽或碱槽的电磁阀。当电磁阀打开时，母液和酸、碱液会根据文丘里吸盘的负压被吸入管道，流入混肥罐，与水、肥料充分混合，然后打开每个周期通过控制器的母液罐。控制酸槽和碱槽电磁阀的时间，使混肥槽内单片机的EC值和pH值达到设定值，再进行土壤灌溉。单片机自动灌溉系统的3个母液罐分别为营养液、酸液和碱液，营养液用于调节营养液中水和肥料的EC值，酸溶液和碱溶液用于调整单片机的pH。比较了从传感器收集的EC值和农作物所需的EC值。如果当前EC值低于目标EC值，则打开电磁阀并添加营养液。用同样的方法，可以控制pH值，该系统具有以下特点：大滞后：单片机自动灌溉系统运行时，先打开水泵，再将灌溉水从水源通过过滤器泵送到肥料箱，水位溢出低水位时打开肥料泵，从支路流入文氏管抽吸装置，吸入混合肥料罐与水混合。由于管道很长，EC和pH传感器检测到的值对系统的反馈会有一定的延迟，使系统延迟一段时间。数学模型不确定：根据单片机一体机的结构，母液的流量取决于文丘肥料吸收器的容量和水流量的大小，这两个参数受到多种随机因素的干扰，因此不可能确定合适的传递函数。大惯性：在水和母液混合过程中，水流不稳定，因此管道中残留的液体会引起系统的大惯性。图2-1单片机自动灌溉结构3单片机自动灌溉系统设计3.1系统的整体架构该系统结合了环境监测系统和智能化单片机自动灌溉系统，该系统由三部分组成，如图3-1所示，分别是无线传感器网络，集成的单片机系统和远程监控平台。无线传感器网络是由多个传感器节点组成的无线网络，无线传感器网络负责收集作物生长环境信息（土壤湿度，空气温度和湿度以及光强度）。单片机自动灌溉系统由单片机一体化机，肥料供应装置和供水系统组成。它由设备和其他设备组成。集成的水和肥料系统负责按照说明对具有一定电导率和pH值的水和肥料进行配比，然后对土壤施肥和灌溉。传感器节点和集成的单片机机械形成无线传感器网络。传感器充当终端节点，集成的单片机作为协调节点，终端节点将收集的信息打包到单片机自动灌溉机器中。单片机自动灌溉机器收集传感器收集的信息以及单片机信息，并将其发送到远程监控系统。远程监控系统可以监控前端环境信息以及单片机信息，同时可以控制前端设备的运行。图3-1单片机自动灌溉系统总体框架无线传感器网络：合适的种植环境是确保作物健康生长的必要条件，因此该系统使用ZigBee技术构建无线传感器网络，以监测作物生长环境的土壤湿度，空气温度，湿度和光照强度实时为用户监测田间种植环境并控制施肥和灌溉提供数据基础。单片机一体化系统：单片机自动灌溉系统由供水系统，肥料供应系统和单片机一体化机组成，其核心是单片机自动灌溉系统机器。单片机自动灌溉系统作为该系统的控制装置，负责提供动力将水，液态肥料，酸和碱等原料混合到适合作物生长，施肥和灌溉农作物的水和肥料中。远程监控平台：用户可以通过远程监控平台监控作物生长环境信息，水和肥料控制信息以及系统运行状态，而无需离开家。同时用户可以通过设置参数自动控制作物的施肥和灌溉，或者手动控制每个电磁阀进行肥料分配和施肥操作，还可以查询历史信息。3.2系统控制部分硬件设计在该系统中，环境监控节点由cc2530芯片，时钟复位电路，电源模块，光强度传感器，土壤湿度传感器以及空气温度和湿度传感器组成，如图3-2所示。实现对作物种植环境信息（光强，土壤湿度，空气温度和湿度）的实时监控，为灌溉和施肥决策提供依据。图3-2环境监测节点硬件结构图CC2530芯片集成了单芯片计算机和射频模块，它具有丰富的功能和强大的抗干扰能力，开发环境是IAREmbeddedWorkbench软件。该程序是用C++语言编写的。编程相对容易，适合新手开发。标准协议，与其他通信方式相比，CC2530芯片的突出优点是功耗低，传输距离适中，适用于现场环境信息监控。CC2530芯片具有电源/接地接口，输入/输出接口，复位接口，射频射频接口等，共40个引脚，共有21个通用输入/输出接口，其中一些具有特殊用途，可以连接到某些外围设备。CC2530芯片的外部电路比较简单，只需要在外部引脚上连接一些电阻，电容，电感和其他元件即可。CC2530芯片的电路设计如图3-3所示。（1）芯片的22和23引脚需要连接到32MHz晶体振荡器，该振荡器用于向连接到25和26引脚的RF射频模块提供时钟。（2）看门狗的时钟与系统时钟不一致，因此需要将32KHz晶体振荡器连接到32和33引脚以为看门狗提供时钟，看门狗可以防止程序运行并在程序失败时执行重置操作。（3）芯片的20针是复位针。该引脚通过一个10KΩ的上拉电阻连接到3.3V电源，当20引脚输出低电平时，芯片开始复位，复位电路如图3-4所示。（4）芯片的25和26引脚是射频接口，需要连接到由电容器，电感器和其他组件组成的射频模块，以实现与其他节点的射频通信。图3-3CC2530芯片电路设计图3-4复位电路空气温度和湿度传感器使用DHT11。DHT11型温湿度传感器具有先进的传感技术和高精度的温湿度。该传感器的突出优点是质量高，稳定性强，响应速度极快，抗干扰能力强，使用寿命长，性价比高，体积适中，功耗低，适用于监测农田空气的温度和湿度。光线传感器使用BH1750FVI，光传感器的照度监控范围是0-65535lx，测量精度可以达到1lx。它的光谱特性接近于人类的视力。该传感器具有内置的16位AD转换模块，可以将数字信号直接输出到控制器，通讯协议，该模块包含通讯级别转换，可以直接与5V单片机的IO接口连接，该光传感器的测量范围和测量精度适用于监测农田的光强度。土壤湿度传感器使用YL-69，土壤湿度传感器的原理是传感器内部的电阻随土壤湿度的变化而变化。当土壤湿度达到测量范围的最大值时，电阻的电阻值为0.1Ω，当土壤湿度达到测量范围的最小值时，电阻的电阻值为10KΩ，电阻的变化会引起电压的变化。为了解决在感应表面上生锈的问题，传感器在感应表面上镀了一层镍，不仅解决了感应表面容易生锈的问题，而且使导电性更强。提高了测量精度，并延长了使用寿命，并且采用三线制，与控制器的接线非常方便。3.2.1单片机自动灌溉系统应用技术单片机自动灌溉系统可以帮助生产者轻松实现单片机的自动综合管理，该系统由主机软件系统，区域控制柜，并联控制器，变送器和数据采集终端组成。通过与供水系统的有机结合，实现智能控制。可实现灌溉供水时间，肥料浓度和供水的智能监控。变送器（土壤水分变送器，流量变送器等）将实时监控灌溉状态。当灌溉区域的土壤水分达到预设的下限时，电磁阀可以自动打开。当监测到的土壤含水量和液位达到预设的灌溉量后，电磁阀系统可以自动关闭。根据时间段，可以安排整个灌溉区域的电磁阀轮换，并且可以手动控制灌溉和水分收集。整个系统可以协调工作，实施轮灌，充分提高灌溉用水效率，实现节水节电，减轻劳动强度，降低人工投入成本。用户通过触摸屏进行控制，控制器将根据用户设定的配方和灌溉过程自动控制水和肥料过程中的重要参数，例如灌溉量，肥料吸收率，肥料溶液浓度，酸碱度、参数，实现定时定量控制，节水省肥，省工省时，增加产量，专用于多跨度大棚，日光温室，大棚及田间种植灌溉作业。3.2.2单片机自动灌溉系统组成以及适用范围单片机自动灌溉系统微滴灌系统主要由阀门，水表，水泵，自动反冲洗过滤系统，智能施肥机，pH/EC控制器，化肥罐，安全阀，电磁阀，田间管线组成系统等该系统适合在已建立的农业基地或满足微灌溉设施建设要求的地方使用。它必须有固定的水源和良好的水质，例如水库，水库，地下水和运河水，更适合经济价值较高的蔬菜，果树等农作物。3.2.3单片机自动灌溉系统微灌、施肥制度制定（1）微灌制度拟定单片机自动灌溉系统，根据灌溉期间的需水量和作物降水量的差异，确定灌溉定额，灌溉次数，灌溉间隔，每次灌溉的持续时间和灌溉定额。还需要考虑土壤水分，温度，设施条件和农业技术措施。与边界灌溉相比，温室塑料膜下滴灌的耗水量将减少30%至40%，与洪水相比将减少50%以上。（2）施肥制度拟定单片机自动灌溉系统根据总肥料需求量与养分含量的差异，确定肥料的实际用量，每次施肥量，施肥次数，施肥时间和肥料种类。整个作物生长期间的土壤肥料利用率，目标产量和施肥方法也是决定施肥系统配方的因素。与常规施肥相比，微灌施肥通常可使肥料用量减少30%-50%。（3）微灌和施肥制度拟合根据作物计划的微灌系统，合理分配灌溉时间，化肥和微灌时间，主要原理是肥料跟随水并分阶段安装。注入的肥料溶液的浓度通常为0.1%。在操作中还应注意，应将水排干约15分钟，然后再注入配制好的肥料溶液，微灌水和施肥后，应使用非施肥水清洗干净的灌溉管道15到30分钟，以防止出水口被堵塞。此步骤是芒果单片机一体化滴灌系统的系统，无需人工即可自动进行。（4）肥料选择智能微灌系统的滴灌管出口很小，很容易被各种微小的杂质堵塞，影响了微灌和施肥的效果。在选择肥料时，要注意以下几个方面：首先，它必须是一种完全可溶的肥料，溶于水后不得沉淀；其次，肥料的相容性更好，并且不会互相作用形成沉淀。第三，尝试施磷肥通过基肥施入土壤；第四，在使用微量元素时，应使用螯合微肥，否则当与大量元素肥料混合时，很容易产生沉淀。市场上常用的溶解度好的普通肥料有尿素，硝酸铵，硫酸铵，硝酸钙，硝酸钾，磷酸，磷酸氢二钾，磷酸一铵（工业级），氯化钾等，或使用微灌专用固体。3.2.4单片机自动灌溉系统功能（1）用水量控制管理实行两级水表计量，它使用出口流量监控作为该地区的总水量计量，实时收集各支管的压力，以实时计算各支管的供水量。结合自动阀门控制功能，阀门控制单元的用水量统计。同时，水泵引入流量控制，当水的总量超过时，将通过遥控器进行控制以限制区域用水。（2）运行状态实时监控通过水位和视频监控，可以实时监控滴灌系统的水源状态，并及时发布缺水预警；通过泵的电流和电压监控，出口压力和流量监控，管网分主管道流量和压力监控，可以发现滴灌系统爆裂，漏水，低压运行等不合理的灌溉事件，及时通知系统维护人员，以确保滴灌系统的有效运行。（3）阀门自动控制功能通过实时监测农田土壤水分信息，小气候信息和农作物生长信息，使用无线或有线技术来实现远程控制阀门的开启和关闭以及定时轮灌溉的开启和关闭。根据收集到的信息，结合当地农作物的需水量和灌溉轮灌，自动开启泵和阀门，实现无人值守的自动灌溉和切片控制，防止人为错误。（4）运维管理功能包括系统维护，状态监测和系统运行的现场管理；远程决策管理功能，例如区域用水量测量管理，干旱和灌溉预报专家决策，信息发布；用水，电力消耗，灌溉量，维护，材料消耗进行统计和成本核算，制定灌溉设施和设备的定期维护计划，记录维护状态，实现灌溉项目的精确维护运行管理。节水灌溉自动控制系统可以充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效率，通过应用自动控制技术，可以节省更多的水和能源，降低灌溉成本，提高灌溉质量。3.3系统控制部分软件设计3.3.1远程监控软件设计首先，根据系统功能需求设计了一个远程监控平台，远程监控平台的功能分为监控功能，控制功能和数据查询功能，远程监控平台的功能结构如图3-5所示。监控功能：可以实时监控设备的整体运行状况，并实时监控种植环境信息以及农作物的单片机参数信息。控制功能：通过各种电磁阀，水泵，肥料泵等控制施肥和灌溉过程，可以选择自动控制和手动控制。数据查询功能：通过输入时间段，可以在任何时间段查询系统监控的农作物的种植环境信息以及单片机参数信息。图3-5远程监控平台功能结构有许多用于设计远程监控平台的软件，例如：Kingview，Labview，VB6.0，MCGS，Matlab等，每个软件都是相似的，并且具有各自的特性。Matlab需要具有较高的编程能力，开发软件需要很长时间，VB6.0不适合工业控制，而Kingview主要用于工业控制，不需要复杂的编程，操作简单，灵活性好，开发时间短，适合本系统软件的远程监控。因此选择了Kingview6.55来设计芒果单片机一体化灌溉系统的远程监控软件，使用Kingview制作芒果单片机一体化灌溉系统的远程监控软件分为四个步骤：定义外部设备和数据库。外部设备可以是单芯片计算机，PLC，GPRS模块以及其他可以与Kingview通信的设备，Kingview通讯的外部设备是Zigbee+GPRS模块，只需要在虚拟串行端口中即可，上面定义了Zigbee+GPRS模块，因为Kingview软件版本6.55包含Zigbee+GPRS模块的驱动程序，该驱动程序可以直接驱动Zigbee+GPRS模块并与之通信。该数据库是Kingview和Zigbee+GPRS模块之间的桥梁，包括已定义的变量，数据字典和警报组。变量定义为土壤湿度，空气温度和湿度，光照强度，营养液的EC值和pH值以及各种电磁阀等。数据字典用于添加，删除和修改变量。警报组用于处理各种警报事件。设计界面图画。根据系统的功能需求和操作的简便性，设计了监控系统的主界面，监控功能界面和控制功能界面，界面中的零件图形（电磁阀，传感器，文丘里肥料等）可以在组态王的图库中找到，因此界面图相对简单。（3）建立动画连接。界面的屏幕是静态的，您需要向数据库变量中添加各种组件和按钮，并编写一些程序以在屏幕上产生动态效果，例如管道中的液体流量以及每个阀的打开和关闭以及参数的实时动态显示。（4）运行和调试。它用于设计远程单击操作，您可以观察屏幕的操作和收集的数据，并通过控制面板控制系统。Kingview软件根据功能要求设计的监控功能界面和控制功能界面分别如图3-6和图3-7所示。图3-6监测功能界面图3-7控制功能界面用户可以通过监视功能界面观察农作物的当前环境信息，以灌溉农作物。您可以通过操作面板选择手动或自动灌溉模式。可以通过单击每个电磁阀，水泵，肥料泵等的按钮来控制手动模式。需要设置参数（灌溉时间，单片机EC值，单片机pH值），然后单击自动启动按钮进行灌溉，如图3-8所示。图3-8自动控制参数设置界面3.3.2系统仿真在Kingview软件中运行远程监视软件以模拟系统。系统仿真屏幕如图3-16所示，从图中可以看出，操作面板的控制按钮可以控制每条管道的电磁阀的打开。关闭，然后控制每个管道的液体流量，监控部分可以监控环境信息（土壤湿度，空气温度，空气湿度和光照强度）以及单片机信息（营养液EC，营养液pH和水压）。实时和系统收集的数据可以以数据报告的形式保存，并且可以查看所选时间段的数据。图3-9数据报表3.3.3功能代码实现应用程序根据单片机灌溉系统的预设功能模块化实现，主要功能包括数据采集和自动灌溉施肥算法实现，数据采集零件程序：{/*****************读基质湿度****************/adcx=GeteeAdc(ADC_CHO);toshi=(float)adcx*(3.3/4096);toshi=tushi/150.0*1000*25.0/4.0-25;fToc(tushi,Temp);/**************读光照*****************************/adcx=GetesAdc(ADC_CH8);Lx=(float)adcx*(3.3/4096);Lx=Lx/150.0*1000*25.0/2.0-50;//单位为KluxfToc(Lx,Temp);}自动灌溉施肥部分程序:ETO[countl]=(0.3672*delt*Rn+110.6598*(100.0-HI)/(Te+273)*Ea)/(de1t+0.105944);sum+=ETO[count1];countl++;if(countl==30)//每30min计算一次滴灌时间countl=0;Ea=0.6107*exp(17.4*Te/239.0+Te);Rn=2.440488*Lx-9.2286I;Belt=4158.6*Ea*Te/(Te+239.0)/(Te+239.0);tguangai=0.6*N*S*sum*Kc/V;floatTochar(t-guangai,几guangai);tdingshi=(u16)t-guangai;}if(tu_shi<=60){//判断基质湿度是否小于60%RH时Timer3_Init(2000,36000);//1s一计数一次BITweADDR(GPIOC_ODR-Addr,B)=0;//开水阀BI毛ADDR(GPIOB_ODR_Addr,B)=0;//开灌水}elseif(Timer3outfable==1){Timer3_OFF;BITesADDR(GPIOC_ODRAddr,B)=1;BITADDR(GPIOB_ODResAddr,B)=1;//滴灌灌溉时间到刀关水阀//关灌水3.3.4工程实现STM32和HMI触摸屏通信有两种解决方案：一种是标准的ModbusRTU通信协议，另一种是自由协议协议。FreeProtocol具有自定义数据格式，灵活和可自定义的优点，并且可以模拟已知消息的任何通信协议。本文使用FreeProtocol实现与STM32的通信，波特率为19200，无奇偶校验，8个数据位，1个停止位。用户通过HMI触摸终端上的按钮向STM32控制器发送控制命令。收到命令后，STM32执行相应的操作，并定期将数据发送到HMI。RS-232握手通信过程如图3-10所示。图3-10串口通信流程图采用FreeProtocol协议，编写宏指令时常用函数有Output(),Input(),SetWordData(),GetWordData()四个通讯函数，其中Output()与Input()函数只能在FreeProtocol协议的通道中使用。（1）Input()函数:从设定好的串口读取需要的字符串。（2）Output()函数:把设定好的字符串发送到相应的串口输出。(3)SetWordData()函数:采集显示功能，把Input()函数接收回来的数据，发送给HIM用户自定义寄存器里，然后在显示控件里填上已经有数据的HIM寄存器，即可显示STM32采集上来的数据。(4)GetWordData()函数:发送控制命令功能，在显示控件上把需要改写的数据绑定HIM寄存器，使用GetWordData()函数获得修改后的数据，通过Output()函数发送把数据发送到STM32，即可控制执行机构的状态。依据图3-5进行程序设计，其中实时信息的在线监测部分代码如下:GetByteData(0,1,0,1I,I，byteData);if(byteData[10]){Output(1,str,1,result);//从通道1中接收数据并保存到data缓冲区while(result!=72)Input(I,data,72,result);if(result==72)result=0;for(i=0;i<72;i++)temp[i]=data[i]-48;//接收字符串后，将其ASCII码转换成数字if(data[0]=='G'&&data[1]一，H')GHrtemp[2]*10000+temp[3]*1000+temp[4]*100+temp[6]*1O+temp[7];Ec=temp[10]*10000+temp[11]*1000+temp[12]*1OO+temp[14]*1O+temp[15];pH=temp[18]*10000+temp[19]*1000+temp[20]*1OO+temp[22]*1O+temp[23];LH=tempt26]*10000+temp[27]*1000+temp[28]*100+temp[30]*1O+temp[31];WQ=temp[34]*10000+temp[35]*1000+temp[36]*1OO+temp[38]*1O+temp[39」二EC=temp[42]*10000+temp[43]*1000+temp[44]*100+temp[46]*l0+temp仁47];Tertemp[50]*10000+temp[51]*1000+temp[52]*100+temp[54]*l0+temp[55];HIrtemp[58]*10000+temp[59]*1000+temp[60]*100+temp[62]*l0+temp[63];Lx=temp[66]*10000+temp[67]*1000+temp[68]*100+temp[70]*1O+temp[71];}4总结中国仍然是一个农业大国。传统的大量灌溉和施肥方法造成了水资源和肥料利用效率低下的问题，这一问题将带来环境污染，资源浪费，对农业质量和安全的影响等一系列问题。为此，通过参考国内外有关单片机自动灌溉系统控制领域的文献，我们可以掌握最新的研究进展，了解相关技术的发展和应用。将物联网技术集成到单片机智能灌溉系统中，设计了一种新型的单片机智能灌溉系统，将环境监测系统与单片机智能一体化系统相结合。本文主要完成以下工作：设计系统硬件，使用ZigBee技术构建带有cc2530芯片的无线传感器网络，监控种植环境，设计以stm32为主要控制器的智能单片机集成系统，并选择整个系统所需的设备。例如控制器，传感器等。设计系统的控制软件，例如无线传感器网络软件，单片机整体集成软件，自动施肥和灌溉程序，自动智能化肥料