發布時間：2021-05-12所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:目前現有的植被灌溉技術成本比較高，不適于大范圍推廣，且不能做到智能灌溉及遠程數據傳輸與監控，不能解放勞動力。通過采集植被生長的環境因子來進行智能判斷是否需要澆灌;通過對系統的硬件部分以及軟件部分進行設計，完成所需功能的實現。系統主要由
摘要:目前現有的植被灌溉技術成本比較高，不適于大范圍推廣，且不能做到智能灌溉及遠程數據傳輸與監控，不能解放勞動力。通過采集植被生長的環境因子來進行智能判斷是否需要澆灌;通過對系統的硬件部分以及軟件部分進行設計，完成所需功能的實現。系統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、無線數據傳輸、水流檢測、TCP/IP協議網絡數據傳輸、蜂鳴器報警，從而實現植被的按需澆灌，智能監測。
關鍵詞:智能灌溉;環境因子;遠程數據傳輸
0引言
隨著科學技術在農林產業中的作用越來越大，植被生長環境監測控制系統正向著自動化的方向發展，而國內的智能植被澆灌技術各項功能還有待完善。但隨著電子技術的發展，特別是嵌入式系統的出現，對于解決人工效率低下、野外惡劣環境下的植被灌溉監測提供了便利[1]。若能通過嵌入式系統設計出理想的并能在實際中運用的植被智能灌溉系統，將對環境監測產生巨大的作用。
相關期刊推薦：《儀表技術》(月刊)創刊于1972年，由上海市儀器儀表學會;上海儀器儀表研究所等主辦。它以電氣測量儀器儀表技術為核心內容，既反映計算機技術、通信技術、電子技術等在儀表中的應用，又反映儀器儀表在國民經濟中的應用情況。設有：產品工作原理分析與研發說明、綜述、技術講座、傳感器與變送器、電源技術、實用電路、使用與維修、技術革新等欄目。
系統采取低功耗的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。為了遠距離的監控系統工作環境，系統中添加了NRF905作為無線數據發送裝置，把每個工作端的數據采集發送到信號中轉站ARM11開發板上，實現TCP/IP數據網絡傳輸和遠程監控，有效地減輕工作人員的工作量，實現自動化控制。
1系統方案設計
為解決植被灌溉的智能化信息化控制問題，本文設計了一種基于ARM的植被智能灌溉系統，它主要由三個功能部件組成:工作端、數據匯集端、遠程監控端。本系統主要由LPC2131/S3C6410組成的控制模塊，TCRT5000、DS18B20、SHT11組成的傳感器模塊，NRF905構成的通信模塊以及步進電機模塊等幾部分組成。系統框圖如圖1所示。在需要進行植被澆灌的相關區域，根據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環境因子數據和工作端目前工作狀態通過無線模塊匯集到ARM11數據匯聚端，然后通過TCP/IP數據網絡傳輸協議把數據傳到遠方的PC顯示屏上進行遠程監控。
2系統硬件設計
ARM7工作端用LPC2131作為控制器，分別對TCRT5000光電傳感器模塊監測的水流變化，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據匯聚，從而實現硬件部分設計。
2.1光電傳感器
系統采用TCRT5000傳感器進行水流監測。TCRT5000由高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度的光電晶體管形成，在其監測到被水流遮住的時候就會發生電平變化，控制器根據電平變化來計數[2]。光電傳感器模塊采用LM339放大器構建電壓比較器，當沒有水流擋住光路時電壓大于設定的值，比較器輸出為高電平;當有水流擋住光路時候，電壓低于設定的比較值，比較器輸出為低電平，控制器根據電平的高低變換來監測水流量。光電傳感器電路圖如圖2所示。
2.2溫濕度傳感器
系統使用SHT11傳感器進行土壤溫濕度采集，該傳感器是基于I2C協議的數字芯片。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，輸出完全標定的數字信號[3]。在電路設計中，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步進電機驅動電路
系統使用兩相四拍步進電機來控制水流的閥門，利用電機的機械轉動帶動閥門的開關，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作為驅動芯片�？刂破鞯腎/O口調節L298的輸出頻率，控制電機的正轉、反轉及加減速度。步進電機驅動電路圖如圖5所示。
2.4蜂鳴器報警電路
系統運行中，為提醒工作人員灌溉系統水箱內水量已經達到最低刻度，采用蜂鳴器來實現報警。蜂鳴器報警具有傳播距離遠、聲音響亮、功耗低、結構簡單、價格便宜等優點;工作人員聽到報警以后給水箱注水即可解除報警，使灌溉系統繼續正常工作。
系統使用PNP三極管作為蜂鳴器的驅動電路，可以持續穩定地給蜂鳴器提供較大驅動電流。蜂鳴器報警電路圖如圖6所示。
2.5無線通信
系統使用單片射頻收發器NRF905作為無線通信模塊，實現中短距離的數據傳輸功能。NRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大、晶體振蕩器和調制器組成，使用SPI接口與微控制器進行通信，配置方便、功耗低，起到了節能效果[6]。NRF905無線通信模塊電路圖如圖7所示。
3系統軟件設計
系統使用LPC2131作為控制器，Keil軟件作為集成開發環境，實現了土壤溫濕度的數據采集、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遠程數據傳輸等功能。
當工作端上電后系統處于睡眠狀態，這樣有利于節約電能，當接收到遠程監控端發送的數據后，判斷具體喚醒哪個工作端，被喚醒的工作端將進行數據采集及澆灌，并且把數據和工作狀態發送回遠程的PC機監控端。系統軟件設計的流程圖如圖8所示。
系統共分為工作端、數據匯集端及上位機應用程序三個部分。工作端系統上電以后進入灌溉系統正常工作模式，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據匯集端進行數據通信。數據匯集端接收到工作端發送的數據以后，通過網絡把數據發送到遠程的PC機上，進行數據匯集。上位機通過檢測網絡判斷有無數據需要接收，從而進行數據的存儲。
4結束語
基于ARM的植被智能灌溉系統實現了植被種植區域的土壤溫濕度及地表溫度的測量，控制器通過實際的環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，能夠實時測得土壤溫濕度，根據溫濕度數據來調節控制水流的大小，能夠最有效利用寶貴的水資源。
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