发布时间：2021-05-12所属分类：电工职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要:目前现有的植被灌溉技术成本比较高，不适于大范围推广，且不能做到智能灌溉及远程数据传输与监控，不能解放劳动力。通过采集植被生长的环境因子来进行智能判断是否需要浇灌;通过对系统的硬件部分以及软件部分进行设计，完成所需功能的实现。系统主要由
摘要:目前现有的植被灌溉技术成本比较高，不适于大范围推广，且不能做到智能灌溉及远程数据传输与监控，不能解放劳动力。通过采集植被生长的环境因子来进行智能判断是否需要浇灌;通过对系统的硬件部分以及软件部分进行设计，完成所需功能的实现。系统主要由下面几部分功能部件组成:测量温度及湿度、信息显示、无线数据传输、水流检测、TCP/IP协议网络数据传输、蜂鸣器报警，从而实现植被的按需浇灌，智能监测。
关键词:智能灌溉;环境因子;远程数据传输
0引言
随着科学技术在农林产业中的作用越来越大，植被生长环境监测控制系统正向着自动化的方向发展，而国内的智能植被浇灌技术各项功能还有待完善。但随着电子技术的发展，特别是嵌入式系统的出现，对于解决人工效率低下、野外恶劣环境下的植被灌溉监测提供了便利[1]。若能通过嵌入式系统设计出理想的并能在实际中运用的植被智能灌溉系统，将对环境监测产生巨大的作用。
相关期刊推荐：《仪表技术》(月刊)创刊于1972年，由上海市仪器仪表学会;上海仪器仪表研究所等主办。它以电气测量仪器仪表技术为核心内容，既反映计算机技术、通信技术、电子技术等在仪表中的应用，又反映仪器仪表在国民经济中的应用情况。设有：产品工作原理分析与研发说明、综述、技术讲座、传感器与变送器、电源技术、实用电路、使用与维修、技术革新等栏目。
系统采取低功耗的ARM7系列芯片LPC2131作为核心控制器，进行植被生长的环境(主要是温湿度)信息采集;使用DS18B20采集地表温度、SHT11采集土壤湿度、TCRT5000光电传感器测量水流、步进电机控制水管上的水流阀门。为了远距离的监控系统工作环境，系统中添加了NRF905作为无线数据发送装置，把每个工作端的数据采集发送到信号中转站ARM11开发板上，实现TCP/IP数据网络传输和远程监控，有效地减轻工作人员的工作量，实现自动化控制。
1系统方案设计
为解决植被灌溉的智能化信息化控制问题，本文设计了一种基于ARM的植被智能灌溉系统，它主要由三个功能部件组成:工作端、数据汇集端、远程监控端。本系统主要由LPC2131/S3C6410组成的控制模块，TCRT5000、DS18B20、SHT11组成的传感器模块，NRF905构成的通信模块以及步进电机模块等几部分组成。系统框图如图1所示。在需要进行植被浇灌的相关区域，根据使用需求可安装若干个ARM7工作端，通过工作端将传感器采集到的相关环境因子数据和工作端目前工作状态通过无线模块汇集到ARM11数据汇聚端，然后通过TCP/IP数据网络传输协议把数据传到远方的PC显示屏上进行远程监控。
2系统硬件设计
ARM7工作端用LPC2131作为控制器，分别对TCRT5000光电传感器模块监测的水流变化，SHT11和DS18B20模块采集的土壤湿度和地表温度进行处理，进而控制步进电机模块工作，采用NRF905通信模块进行无线数据汇聚，从而实现硬件部分设计。
2.1光电传感器
系统采用TCRT5000传感器进行水流监测。TCRT5000由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度的光电晶体管形成，在其监测到被水流遮住的时候就会发生电平变化，控制器根据电平变化来计数[2]。光电传感器模块采用LM339放大器构建电压比较器，当没有水流挡住光路时电压大于设定的值，比较器输出为高电平;当有水流挡住光路时候，电压低于设定的比较值，比较器输出为低电平，控制器根据电平的高低变换来监测水流量。光电传感器电路图如图2所示。
2.2温湿度传感器
系统使用SHT11传感器进行土壤温湿度采集，该传感器是基于I2C协议的数字芯片。SHT11传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号[3]。在电路设计中，SHT11供电电压范围为2.4～5.5V，供电电压为3.3V，在电源VCC与接地端GND之间加一个100nF的电容，用于去耦合滤波[4]，电路图如图3所示。
系统使用DS18B20温度传感器进行地表温度测量采集，该传感器是单总线协议[5]，并且是开漏输出，所以需要在总线上接个上拉电阻，阻值为10kΩ，电路
2.3步进电机驱动电路
系统使用两相四拍步进电机来控制水流的阀门，利用电机的机械转动带动阀门的开关，最终达到控制水流大小及断开的目的。由于步进电机的功率较大，因此该部分使用单独供电。由于LPC2131芯片的I/O口输出的电压及电流达不到步进电机工作的要求，所以采用L298作为驱动芯片。控制器的I/O口调节L298的输出频率，控制电机的正转、反转及加减速度。步进电机驱动电路图如图5所示。
2.4蜂鸣器报警电路
系统运行中，为提醒工作人员灌溉系统水箱内水量已经达到最低刻度，采用蜂鸣器来实现报警。蜂鸣器报警具有传播距离远、声音响亮、功耗低、结构简单、价格便宜等优点;工作人员听到报警以后给水箱注水即可解除报警，使灌溉系统继续正常工作。
系统使用PNP三极管作为蜂鸣器的驱动电路，可以持续稳定地给蜂鸣器提供较大驱动电流。蜂鸣器报警电路图如图6所示。
2.5无线通信
系统使用单片射频收发器NRF905作为无线通信模块，实现中短距离的数据传输功能。NRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大、晶体振荡器和调制器组成，使用SPI接口与微控制器进行通信，配置方便、功耗低，起到了节能效果[6]。NRF905无线通信模块电路图如图7所示。
3系统软件设计
系统使用LPC2131作为控制器，Keil软件作为集成开发环境，实现了土壤温湿度的数据采集、地表温度采集、水流的测量及水流的电机控制、NRF905无线通信、TCP远程数据传输等功能。
当工作端上电后系统处于睡眠状态，这样有利于节约电能，当接收到远程监控端发送的数据后，判断具体唤醒哪个工作端，被唤醒的工作端将进行数据采集及浇灌，并且把数据和工作状态发送回远程的PC机监控端。系统软件设计的流程图如图8所示。
系统共分为工作端、数据汇集端及上位机应用程序三个部分。工作端系统上电以后进入灌溉系统正常工作模式，一旦检测到水箱水量不够，则蜂鸣器报警，工作人员给水箱加满水即可解除报警;工作端通过无线模块与数据汇集端进行数据通信。数据汇集端接收到工作端发送的数据以后，通过网络把数据发送到远程的PC机上，进行数据汇集。上位机通过检测网络判断有无数据需要接收，从而进行数据的存储。
4结束语
基于ARM的植被智能灌溉系统实现了植被种植区域的土壤温湿度及地表温度的测量，控制器通过实际的环境因子对植被进行按需浇灌，避免了水资源的浪费或者是植被浇灌不足。本系统的成本低，适合大范围的使用推广;采用太阳能供电，功耗低，能够实时测得土壤温湿度，根据温湿度数据来调节控制水流的大小，能够最有效利用宝贵的水资源。
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