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摘 要： 摘要:目前現(xiàn)有的植被灌溉技術(shù)成本比較高，不適于大范圍推廣，且不能做到智能灌溉及遠程數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控，不能解放勞動力。通過采集植被生長的環(huán)境因子來進行智能判斷是否需要澆灌;通過對系統(tǒng)的硬件部分以及軟件部分進行設(shè)計，完成所需功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)主要由
摘要:目前現(xiàn)有的植被灌溉技術(shù)成本比較高，不適于大范圍推廣，且不能做到智能灌溉及遠程數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控，不能解放勞動力。通過采集植被生長的環(huán)境因子來進行智能判斷是否需要澆灌;通過對系統(tǒng)的硬件部分以及軟件部分進行設(shè)計，完成所需功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)主要由下面幾部分功能部件組成:測量溫度及濕度、信息顯示、無線數(shù)據(jù)傳輸、水流檢測、TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、蜂鳴器報警，從而實現(xiàn)植被的按需澆灌，智能監(jiān)測。
關(guān)鍵詞:智能灌溉;環(huán)境因子;遠程數(shù)據(jù)傳輸
0引言
隨著科學(xué)技術(shù)在農(nóng)林產(chǎn)業(yè)中的作用越來越大，植被生長環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)正向著自動化的方向發(fā)展，而國內(nèi)的智能植被澆灌技術(shù)各項功能還有待完善。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)，對于解決人工效率低下、野外惡劣環(huán)境下的植被灌溉監(jiān)測提供了便利[1]。若能通過嵌入式系統(tǒng)設(shè)計出理想的并能在實際中運用的植被智能灌溉系統(tǒng)，將對環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)生巨大的作用。
相關(guān)期刊推薦：《儀表技術(shù)》(月刊)創(chuàng)刊于1972年，由上海市儀器儀表學(xué)會;上海儀器儀表研究所等主辦。它以電氣測量儀器儀表技術(shù)為核心內(nèi)容，既反映計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)等在儀表中的應(yīng)用，又反映儀器儀表在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用情況。設(shè)有：產(chǎn)品工作原理分析與研發(fā)說明、綜述、技術(shù)講座、傳感器與變送器、電源技術(shù)、實用電路、使用與維修、技術(shù)革新等欄目。
系統(tǒng)采取低功耗的ARM7系列芯片LPC2131作為核心控制器，進行植被生長的環(huán)境(主要是溫濕度)信息采集;使用DS18B20采集地表溫度、SHT11采集土壤濕度、TCRT5000光電傳感器測量水流、步進電機控制水管上的水流閥門。為了遠距離的監(jiān)控系統(tǒng)工作環(huán)境，系統(tǒng)中添加了NRF905作為無線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，把每個工作端的數(shù)據(jù)采集發(fā)送到信號中轉(zhuǎn)站ARM11開發(fā)板上，實現(xiàn)TCP/IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠程監(jiān)控，有效地減輕工作人員的工作量，實現(xiàn)自動化控制。
1系統(tǒng)方案設(shè)計
為解決植被灌溉的智能化信息化控制問題，本文設(shè)計了一種基于ARM的植被智能灌溉系統(tǒng)，它主要由三個功能部件組成:工作端、數(shù)據(jù)匯集端、遠程監(jiān)控端。本系統(tǒng)主要由LPC2131/S3C6410組成的控制模塊，TCRT5000、DS18B20、SHT11組成的傳感器模塊，NRF905構(gòu)成的通信模塊以及步進電機模塊等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。在需要進行植被澆灌的相關(guān)區(qū)域，根據(jù)使用需求可安裝若干個ARM7工作端，通過工作端將傳感器采集到的相關(guān)環(huán)境因子數(shù)據(jù)和工作端目前工作狀態(tài)通過無線模塊匯集到ARM11數(shù)據(jù)匯聚端，然后通過TCP/IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議把數(shù)據(jù)傳到遠方的PC顯示屏上進行遠程監(jiān)控。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
ARM7工作端用LPC2131作為控制器，分別對TCRT5000光電傳感器模塊監(jiān)測的水流變化，SHT11和DS18B20模塊采集的土壤濕度和地表溫度進行處理，進而控制步進電機模塊工作，采用NRF905通信模塊進行無線數(shù)據(jù)匯聚，從而實現(xiàn)硬件部分設(shè)計。
2.1光電傳感器
系統(tǒng)采用TCRT5000傳感器進行水流監(jiān)測。TCRT5000由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度的光電晶體管形成，在其監(jiān)測到被水流遮住的時候就會發(fā)生電平變化，控制器根據(jù)電平變化來計數(shù)[2]。光電傳感器模塊采用LM339放大器構(gòu)建電壓比較器，當(dāng)沒有水流擋住光路時電壓大于設(shè)定的值，比較器輸出為高電平;當(dāng)有水流擋住光路時候，電壓低于設(shè)定的比較值，比較器輸出為低電平，控制器根據(jù)電平的高低變換來監(jiān)測水流量。光電傳感器電路圖如圖2所示。
2.2溫濕度傳感器
系統(tǒng)使用SHT11傳感器進行土壤溫濕度采集，該傳感器是基于I2C協(xié)議的數(shù)字芯片。SHT11傳感器將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號[3]。在電路設(shè)計中，SHT11供電電壓范圍為2.4～5.5V，供電電壓為3.3V，在電源VCC與接地端GND之間加一個100nF的電容，用于去耦合濾波[4]，電路圖如圖3所示。
系統(tǒng)使用DS18B20溫度傳感器進行地表溫度測量采集，該傳感器是單總線協(xié)議[5]，并且是開漏輸出，所以需要在總線上接個上拉電阻，阻值為10kΩ，電路
2.3步進電機驅(qū)動電路
系統(tǒng)使用兩相四拍步進電機來控制水流的閥門，利用電機的機械轉(zhuǎn)動帶動閥門的開關(guān)，最終達到控制水流大小及斷開的目的。由于步進電機的功率較大，因此該部分使用單獨供電。由于LPC2131芯片的I/O口輸出的電壓及電流達不到步進電機工作的要求，所以采用L298作為驅(qū)動芯片。控制器的I/O口調(diào)節(jié)L298的輸出頻率，控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及加減速度。步進電機驅(qū)動電路圖如圖5所示。
2.4蜂鳴器報警電路
系統(tǒng)運行中，為提醒工作人員灌溉系統(tǒng)水箱內(nèi)水量已經(jīng)達到最低刻度，采用蜂鳴器來實現(xiàn)報警。蜂鳴器報警具有傳播距離遠、聲音響亮、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等優(yōu)點;工作人員聽到報警以后給水箱注水即可解除報警，使灌溉系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。
系統(tǒng)使用PNP三極管作為蜂鳴器的驅(qū)動電路，可以持續(xù)穩(wěn)定地給蜂鳴器提供較大驅(qū)動電流。蜂鳴器報警電路圖如圖6所示。
2.5無線通信
系統(tǒng)使用單片射頻收發(fā)器NRF905作為無線通信模塊，實現(xiàn)中短距離的數(shù)據(jù)傳輸功能。NRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，使用SPI接口與微控制器進行通信，配置方便、功耗低，起到了節(jié)能效果[6]。NRF905無線通信模塊電路圖如圖7所示。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)使用LPC2131作為控制器，Keil軟件作為集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)了土壤溫濕度的數(shù)據(jù)采集、地表溫度采集、水流的測量及水流的電機控制、NRF905無線通信、TCP遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>
當(dāng)工作端上電后系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，這樣有利于節(jié)約電能，當(dāng)接收到遠程監(jiān)控端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，判斷具體喚醒哪個工作端，被喚醒的工作端將進行數(shù)據(jù)采集及澆灌，并且把數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)發(fā)送回遠程的PC機監(jiān)控端。系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程圖如圖8所示。
系統(tǒng)共分為工作端、數(shù)據(jù)匯集端及上位機應(yīng)用程序三個部分。工作端系統(tǒng)上電以后進入灌溉系統(tǒng)正常工作模式，一旦檢測到水箱水量不夠，則蜂鳴器報警，工作人員給水箱加滿水即可解除報警;工作端通過無線模塊與數(shù)據(jù)匯集端進行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)匯集端接收到工作端發(fā)送的數(shù)據(jù)以后，通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程的PC機上，進行數(shù)據(jù)匯集。上位機通過檢測網(wǎng)絡(luò)判斷有無數(shù)據(jù)需要接收，從而進行數(shù)據(jù)的存儲。
4結(jié)束語
基于ARM的植被智能灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)了植被種植區(qū)域的土壤溫濕度及地表溫度的測量，控制器通過實際的環(huán)境因子對植被進行按需澆灌，避免了水資源的浪費或者是植被澆灌不足。本系統(tǒng)的成本低，適合大范圍的使用推廣;采用太陽能供電，功耗低，能夠?qū)崟r測得土壤溫濕度，根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)控制水流的大小，能夠最有效利用寶貴的水資源。
