李 儉， 陳 行， 樊學良， 郭地偉， 吳 亮， 劉曉文

(成都大學 機械工程學院， 四川 成都 610106)

0 引 言

土壤是植物生長發(fā)育的基礎，土壤濕度對于植物的生長起著重要的作用.隨著農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展，各種灌溉機械層出不窮，但多數(shù)灌溉機械應用在農(nóng)業(yè)或園林領域，針對盆栽的灌溉系統(tǒng)卻相對缺乏.本研究設計了由PLC、C52單片機、GSM、土壤濕度傳感器、遠程WiFi控制模塊組成的土壤濕度檢測與提示及遠程控制盆栽灌溉的系統(tǒng).因多數(shù)植物在不同階段里適宜生長的水分含量不同，灌溉系統(tǒng)將濕度提醒給客戶后，客戶隨時可以根據(jù)需求決定是否灌溉.

1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件主要由傳感器模塊、轉換器模塊、處理器模塊、GSM模塊、 LCD顯示模塊、遠程WiFi模塊、PLC模塊及電源供電模塊組成，硬件系統(tǒng)如圖1所示.

圖1硬件系統(tǒng)示意圖

1.1 濕度檢測電路

土壤濕度檢測電路主要用來測量盆栽土壤的相對含水量，針對盆栽土壤的墑情進行檢測.濕度傳感器基片上覆蓋了一層用感濕材料制成的膜，當盆栽土壤中的水分子吸附在感濕膜上時，感應原件的電阻率和電阻值都會發(fā)生相應變化，傳感器通過線路元件電阻值的差異來反映土壤不同濕度值[1].本研究選用Risym公司的土壤濕度傳感器為傳感器模塊，其表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應面積，可以提高導電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命，其結構簡單，成本低，滿足設計要求.測試模擬量輸出AO和A/D模塊相連，通過A/D轉換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值.濕度檢測電路原理圖如圖2所示.

圖2濕度檢測電路原理圖

1.2 光耦合器模塊

系統(tǒng)中遠程WiFi和PLC元件的工作電壓不同，因而本研究引入了光電耦合器.光電耦合器通過“電—光—電”的轉換形式將輸入端信號耦合到輸出端，一般由3部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大.輸入的電信號驅動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再進一步放大后輸出.本研究選用Telesky公司的EL817C型光耦，其輸入輸出之間高隔離電壓值Viso=5 000 Vrms.

1.3 處理器模塊

處理器模塊[2]計算土壤濕度傳感器傳來的數(shù)據(jù)并生成數(shù)值，連接SIM發(fā)射模塊，在LCD1602顯示屏上將數(shù)值顯示出來，相應的指示燈亮，并將計算所得數(shù)值發(fā)射到客戶手機上，客戶可通過手機APP查看土壤濕度值.本研究選用型號為STC89C52RC的單片機作為系統(tǒng)主體，其結構簡單，成本較低，性價比高.A/D模數(shù)轉換器是將輸入電壓信號轉換為輸出數(shù)字信號的元件.濕度傳感器輸出的就是電壓信號，A/D轉換器將其轉換為可供識別的數(shù)字信號，選擇植物生長的最小土壤濕度作為轉換標準，轉換器輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小.本研究選用Telesky公司生產(chǎn)的ADC0832模數(shù)轉換器，ADC0832為8-bit分辨率的雙通道A/D轉換芯片，具有體積小、兼容性強且性價比高等優(yōu)點.處理器原理圖如圖3所示.

圖3處理器原理圖

1.4 WiFi模塊

客戶可以使用手機端APP或PC端上位機通過無線局域網(wǎng)連接到系統(tǒng)搭載的WiFi模塊[3]，實現(xiàn)手機端或PC端對PLC的控制.本研究選用型號ESP8266-12E作為系統(tǒng)的WiFi模塊，ESP8266-12E有完善的外圍電路和較強的阻抗匹配，有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力.

1.5 PLC模塊

PLC又稱為可編程邏輯控制器，主要控制系統(tǒng)中水管閥門的閉合狀態(tài).針對不同的土壤墑情和植物類型，土壤所需的灌溉量不同，PLC自帶的計時器會通過控制延時來控制不同土壤的灌溉量.本研究選用型號為S7-200的國產(chǎn)PLC,其具有西門子CPU相同的主線設計，有獨立的電源板和CPU板，抗干擾能力更強.PLC接線圖如圖4所示.

圖4 PLC接線圖

1.6 GSM模塊

GSM模塊[4]具有獨立的操作系統(tǒng)，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器及功放器件等集成在一塊線路板上且能進行GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊.本研究采用SIM800C芯片，利用其低功耗、短信服務及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芡瓿深A設的工作.該模塊支持TTL電平控制，工作電壓為3.3～5 V，模塊上的RXD和TXD可直接與單片機串口連接(P3.0 RXD和P3.1 TXD)，單片機可直接通過串行口與GSM模塊通信、發(fā)送AT控制指令和接收數(shù)據(jù).GSM工作原理圖如圖5所示.

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件主要由單片機模塊[5-6]和PLC模塊組成.單片機模塊和PLC模塊在系統(tǒng)中分別起計算和控制的作用，兩個模塊均以獨立的形式存在于系統(tǒng)中，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時保證了系統(tǒng)的兼容性.

2.1 單片機模塊

濕度傳感器采集的土壤濕度模擬信號，通過A/D轉換模塊將接收到的模擬信號轉換為數(shù)字信號后，單片機對濕度傳感器收集的數(shù)據(jù)進行計算與分析，并在LCD顯示器顯示檢測信息的同時通過GSM模塊將檢測信息傳輸?shù)紸ndroid智能手機上.手機端接收到的信號形式為：濕度值+土壤濕度(干燥、濕度適中或高濕度).當傳感器檢測的濕度值低于設定的最低濕度值或高于設定的最高設定值時，GSM模塊向手機發(fā)送信息；若濕度處于適中階段，則可先設定1個中值，當濕度值為此中值時，模塊就向手機發(fā)送信息.本單片機監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖6所示.

圖5 GSM工作原理圖

圖6單片機檢測系統(tǒng)方案圖

2.2 PLC模塊

手機在收到不同程度的土壤濕度值時可根據(jù)不同土壤濕度向遠程WiFi模塊發(fā)出信息，WiFi模塊通過光耦合器將信號傳遞給PLC模塊，PLC模塊將會控制水管閥門的開合狀態(tài).本PLC控制系統(tǒng)方案如圖7所示.

圖7 PLC控制系統(tǒng)方案圖

3 實驗系統(tǒng)演示

本研究使用USB為實驗系統(tǒng)[7-8]供電.實驗中，首先將土壤濕度傳感器插入干燥土壤，接著LCD顯示器正常顯示土壤濕度，土壤濕度干燥指示燈亮，手機收到土壤濕度低的信息提示.此時，手機向遠程WiFi模塊發(fā)送灌溉信息，水管閥門正常打開，開始灌溉盆栽.經(jīng)過灌溉后，土壤濕度達到適中值，完成實驗系統(tǒng)的演示.實驗系統(tǒng)的演示調試圖如圖8所示.

4 結 語

本研究制定了一種基于GSM的盆栽土壤濕度檢測系統(tǒng)，根據(jù)盆栽土壤中的水分變化特征采用電阻式濕度傳感器實時采集濕度數(shù)據(jù)，搭建了基于GSM模塊的信息傳遞系統(tǒng)和基于PLC的遠程WiFi盆栽灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了盆栽土壤水分的檢測和控制.大量的實物模擬實驗結果表明，該系統(tǒng)能有效檢測土壤水分含量，并通過LCD顯示屏和指示燈顯示盆栽土壤的含水量，且GSM模塊能將盆栽土壤水分信息及時傳遞到手機，手機可通過遠程WiFi模塊對盆栽進行灌溉控制.本研究的系統(tǒng)具有實時性高、成本低且穩(wěn)定性好等優(yōu)點，為后續(xù)遠程土壤檢測控制的研究奠定了一定的實驗基礎.

圖8實驗系統(tǒng)的演示調試圖