智能浇灌系统的设计与实现

2021-08-20李致莹陈洁仪邝贺贤罗湘仁边新宇曹惠茹

机电工程技术 2021年11期

李致莹陈洁仪邝贺贤罗湘仁边新宇曹惠茹

摘要：针对长期外出无法及时照看作物的情况，借鉴现有的智能浇灌系统的优势，以 STM322F103C8T6单片机为主控制器设计并实现了一种可以自动定时浇灌的家用智能浇灌系统。系统同时搭载水压系统、定时系统、环境温湿度和土壤湿度传感器进行参数的采集和感知，采用WiFi方式进行通信。另外，基于 Android智能平台设计并实现了 App移动用户端，具有操作界面简单、使用方便的特点，可以实现实时监测、显示与记录植物和种子状态，并可以进行温度、湿度、天气和风向的实时获取，还可以在无人照看或长期外出的情况下实现自动定时浇灌功能。经过测试，系统硬件结构简单、安装便捷、运行成本低且易于实现，软件安全便捷、操作简单。

关键词：自动浇灌装置;定時;单片机;Android;传感器

中图分类号：TP29文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0208-04

Design and Implementation of Intelligent Irrigation System

Li Zhiying，Chen Jieyi，KuangHexian，Luo Xiangren，BianXinyu，Cao Huiru※

（Guangzhou Institute of Technology， Guangzhou 510900， China）

Abstract： In view of not being able to take care of crops in time when going out for a long time， drawing on the advantages of the existing intelligent irrigation system， STM322F103C8T6 single-chip microcomputer was used as the main controller to design and implement a household intelligent irrigation device system which could automatically and regularly irrigate. The system was equipped with water pressure system， timing system， environmental temperature and humidity sensor and soil humidity sensor for parameter acquisition and sensing. In addition， an App mobile client based on Android platform was designed and implemented， which had the characteristics of simple interface and convenient use， and could realize the real-time monitoring， displaying and recording of the status of plants and seeds， and could be temperature， humidity， weather and wind direction of real-time access， but also in the absence of care or long-term out of the case of automatic timing irrigation function. Testing shows that the system has the advantages of simple hardware structure， convenient installation， low running cost and easy realization， convenient software security， simple operation and so on.

Key words： automatic pouring device; timing; MCU; Android; sensors

0 引言

随着生活水平的提高，人们的居住和生活环境得到了很大的改善，对于生活质量的追求也越来越高。因此，越来越多的人选择在家里、花园种植各种蔬菜花果。然而，大多数人工作比较繁忙，有时需要长时间出差，导致蔬菜花果无法得到及时的浇灌和照看，影响其正常生长、枯萎。此外，随着人们环保意识的增强和水资源的日益匮乏，自动浇灌系统便受到广大科研者的青睐。王有春，陈威等[1-2]针对农田的畦垄浇灌控制问题，水稻不同生长发育周期的水需求量生物学知识，合理运用自动化控制水泵，进而让处于不同生长周期的水稻需水量得到满足，提出了一种新型智能自动浇灌控制系统的设计方案;康云川[3]主要针对目前家庭花卉传统栽培存在智能程度不高、稳定性不强、性能差、安全性低、成本高等弊端，无法远程浇灌的问题，研制了一种基于 Raspberry Pi （树莓派）开发板与阿里云 IoT （Internet of Things）平台的家庭花卉智能浇灌系统;侯伟等[4-5]以单片机为主控芯片，结合传感器和计算机，搭建了一套智能化的浇灌系统，实现了友好的用户交互界面，实时测量、显示与记录等功能，并由主控芯片进行浇灌;廖希杰，王承林等[6-7]以节约用水为目的，使用单片机、 DHT11温湿度传感器、土壤湿度传感器、电磁阀控制系统、数据存储系统、时钟系统、按键和光电报警系统等电路组成智能浇灌系统;卢超等[8]基于 STM32和 STC89C52单片机设计一种分布式无线自动浇灌系统，用以实现农业灌溉的智能化，系统包括一个主机和多个从机，土壤温湿度检测模块和电磁阀浇灌模块与从机相连，完成数据的采集、发送及处理功能，以继电器控制电磁阀工作，通过开关水泵实现自动浇灌，从机个数可根据测量点的需求进行扩展，显示模块和报警模块与主机相连，完成数据的接收、处理、显示及报警功能。主从之间采用 NRF905模块进行无线通信，构成“一对多”的通信网络;张展赫翔，邱意敏等[9-10]针对家中栽养的花草由于人们出远门无人照顾而枯萎的现状，以及目前灌溉系统存在的灌溉用水利用率低、浪费人力和易灌溉过量等缺点，采用分布式无线自动浇灌系统，基于 UWB 定位技术和模糊控制理论，有效地解决传统灌溉体系中低效率，用水量的智能控制的智能灌溉系统;曾泽良等[11]基于 ZigBee 无线通信技术，结合自动化控制技术、网络技术，可实现采集土壤温湿度、空气温湿度和光照强度信息，由管理决策系统自动控制或人为控制，进而实现节水灌溉技术由静态向动态的人工智能转变;郭紫照[12]设计了一种基于WiFi的智能节水浇灌控制器系统，可以对土壤的湿度进行检测分析和处理，该系统的创新点在于系统体积小，灵活性强，易于操作，抗干扰性强，性价比高，具有较好的推广价值。

以上研究尽管从不同角度进行分析，解决了部分智能化浇灌的问题，也解决了人们长期外出的困扰，但是存在运行成本高、用户端操作不便等缺点。因此，本文基于单片机系统，采用WiFi通信方式，设计并实现了基于 Android系统的用户端软件，硬件成本低、操作简单。

1 自动浇灌系统原理

浇灌系统主要由储水盒、抽水管、作物种植 PVC装置、水泵和定时装置几部分组成，定时装置中有电源、控制系统以及水位传感器，水位传感器设在储水盒的盖子内部，储水盒的一个侧面设置着出水口，另一个侧面设置着与浇灌软管连接的出水端。浇灌软管的出水端口是密封的，利用水泵压力将营养液上压至种植管中，当营养液经过每根种植管，就会再次流入到水箱中，如此循环，如图1所示。在种植装置中的植物根部，既可以吸收空气中的氧气，也可以吸收管中的营养成分，以茁壮成长。

水泵由马达和旋转叶片構成，抽水时把进水管安装在水箱，并打开电源，控制系统让水泵开始运行并将水抽进种植管中;当储蓄盒中的水达到一定高度时，盖子内侧的水位传感器就会把信号发送给控制系统，控制系统再反馈停止运输信号给水泵，水泵就会立即停止送水工作。

给植物浇灌时，要提前把浇灌软管插入到泵口入水处，使用软管夹固定浇灌软管。由于不同植物所需的温度和湿度不一样，因此根据植物的特性将相关参数存储在系统中，通过安装在植物旁的温度传感器、湿度传感器将检测到的数据传输给控制系统，控制系统收到信号后，根据实际需求打开出水控制阀门，水就从出水端口进入浇灌软管，浇灌软管的端口是密封的，因此水会在压力作用下而向上引流，在第一层的分流端口中，流入两端的浇灌白管中，然后植物的根部会触及营养液，同时在阳光的照射下正常生长。若需要长时间外出时，只需要把浇灌软管的入水口放置在水中，并保证储水盒中水是满的，在控制端将植物所需的数据设置好，就可以依据传感器检测的结果给植物进行浇灌，水流会自动流向下一层，后将多余的水分通过最低的出水口流出，保证水的新鲜和水分的合理化。其工作原理如图2所示。自动灌溉系统根据获取到的数据决定是否开启自动灌溉，若开启，则接着判断当前是否开启夜间模式，若是，则接着判断当前时间是否处于夜间模式，若在夜间模式则结束自动灌溉;当前若不在夜间，则检查当前时间与上次浇灌时间的间隔是否大于等于预设间隔，若是，则将当前时间写入数据库中，并开启水泵，然后将浇灌结束的时间计入数据库中，浇灌结束。

2 自动浇灌硬件系统

本硬件系统由主控制板、水泵、继电器、温湿度传感器、PVC管、输送的透明塑料软管和若干导线组成，主控制板与水泵分别通过电源适配器接入到家用220 V 线路中，继电器则与主控制板5 V 引脚相连。土壤温湿度检测与控制系统以 STM322F103C8T6单片机为核心板，通过软件设置达到具体控制效果的实现。土壤的温湿度检测由 DS18B2传感器将检测到的数据传输到单片机，并通过单片机的 I/O 端口将检测到的土壤温湿度参数实时采集到的数据显示在2.4寸 TFT 彩屏上。同时，如果系统在智能浇灌设置模式下，则该值与设定的浇灌上下阈值进行比较，若低于下阈值，则单片机通过各个采集信号量对应的阈值来控制相应的关键开关打开，开始提高水压限度。若高于上阈值时，单片机再发出一个信号控制开关关闭，打开对应阈值阀门，并减小水压。若该系统设置在手动浇灌情况下，则按照设定好的定时浇灌时间以及浇水量进行浇灌，DS18B2将检测到的土壤温湿度数据传输到 TFT 彩屏上显示，以达到对土壤温湿度实时监测的目的。具体系统设计框图如图3所示。

与其他智能浇灌方法相比，本系统可以通过设置键选择开启模式。手动浇灌是由主控制器来实时读取芯片 DS1302的状态值，再与设置的阈值进行比较，若小于阈值，则蜂鸣器报警通知用户进行浇灌;智能浇灌则是将检测到的数据传输到用户端，根据植物含水量的状态来控制水泵的开启与关闭。硬件连接实物如图4所示。

3 软件系统设计与实现

软件系统的开发是基于 Android平台的智能设备，采用 MVC （Model 数据层、View 界面层、Control 控制层）架构来进行设计的。在本系统中数据层主要为界面层和控制层提供数据，处理控制层传递过来的参数，对参数进行计算后再写入到数据库，并将处理结果返回给控制层。同时还与 View 存在一定的耦合，通过事件机制通知显示状态的改变来更新显示界面;界面层负责视图上数据的采集和用户请求的处理，将用户界面的请求和输入传递给数据层和控制层;控制层由View根据用户行为触发并响应来自显示层的用户交互，然后根据具体事件逻辑来修改对应的数据。

软件系统由3部分组成：种子列表、植物列表和环境设置。当用户打开软件时，直接跳转到种子列表中的当前植物页面，如图5所示。

种子管理：用户可以在该模块中添加、删除、修改、查看当前种植中的种子信息，包括植物名称、种植时间、是否成熟等。在确保植物能够正常生长的前提下，提示用户要在成熟期内采摘植物或果实。对于已收获的植物也可以以列表的形式进行查看。

植物管理：在该模块中，用户可以根据实际情况添加新的植物，并设置好该植物的生长周期，以便于进行及时的收割;也可以对现有植物的各项信息进行查看、修改、删除，如图6所示。

环境设置：用户在安装本系统的 App后，通过手机打开WiFi热点与本系统中的主控制板进行连接，再设置是否开启、关闭自动浇灌和清空浇灌记录，修改浇灌间隔时间和持续时间等参数。同时也可以获取当地的天气信息，包括：温度、湿度、风向、天气等相关信息，如图7所示。

4 结束语

目前，农田自动灌溉系统大多是大面积的适用范围，而本文所设计的系统则是适用于家庭的装置，不需要过大的占地面积，也不需要复杂的操作，用户可以轻松上手、简单操作，从而使得人们的生活水平越来越高。进而，本系统可采用自动化的浇灌设置，省去每日手动操作的烦恼，只需要第一次将装置安插在需要浇灌的植物中心，不管是出水量，还是出水时间，出水方式，都采用自动可控的方式进行设置让植物得到充足的水分。用户只需在手机上安装简易的 App就可以实现远程操控，便可以维护好一小片属于自己的后花园，更不会因出差或繁忙工作无法及时照管，导致植物枯萎。这样不但节省人力和时间，还便于根据自己的喜好和工作安排进行智能化的浇灌。

参考文献：

[1]王有春，庞慧，屈建平.农田智能浇灌自动控制系统的设计[J].安徽农业科学，2012，40（3）：1760-1761.

[2]陈威，林超伦，徐启明，等.基于 ZigBee水稻自动浇灌系统的设计与实现[J].电子世界，2019（14）：132-133.

[3]康云川.基于 Raspberry Pi的家庭花卉智能浇灌系统[D].重庆：重庆三峡学院，2020.

[4]侯伟，江涛，张小洁，等.基于单片机的小型自动浇灌系统设计[J].机械与电子，2019，37（5）：36-39.

[5]付春丽，郭恩康，刘文博.基于 AT89C51的智能可操控浇灌系统[J].现代农业科技，2021（5）：177-178.

[6]廖希杰，宋晨，王会虎，等.智能浇灌系统的设计[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：51-52.

[7]王承林，王晓凤，刘清华，等.智能浇灌控制管理系统的设计[J].

邢台学院学报，2017，32（2）：174-176.

[8]卢超，潘宏利，卢进军，等.分布式无线自动浇灌系统的设计[J].中国农机化学报，2019，40（7）：133-140.

[9]张展赫翔，徐宇豪.基于 UWB定位的家用智能浇花机器人系统设计[J].现代物业（中旬刊），2018（7）：58.

[10]邱意敏，李炜，欣龙，等.基于模糊控制的智能浇灌系统设计[J].西昌学院学报（自然科学版），2021，35（2）：73-77.