物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2017.09.013

引 言

物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)可加速推動(dòng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，一方面實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉，推動(dòng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，另一方面能將勞動(dòng)者從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理。

1 物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)功能概述

物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)分為主機(jī)、從機(jī)和手機(jī)客戶端。主機(jī)由單片機(jī)、CC2530 模塊、HC-05 藍(lán)牙模塊、GPRS 模塊、DHT11 溫濕度模塊、光控制模塊、LCD1602 顯示器、太陽(yáng)能電池板、充電蓄電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、水泵等組成；從機(jī)由單片機(jī)、CC2530 模塊、超聲波模塊、太陽(yáng)能電池板、充電蓄電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、水閘等組成 ；手機(jī)客戶端由手機(jī)和手機(jī) App 軟件構(gòu)成。

1.1 主機(jī)

在物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)中，主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的信息匯總節(jié)點(diǎn)，不論是與用戶之間的連接還是用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管，主機(jī)都將作為信息傳輸?shù)闹行?。主機(jī)自帶顯示系統(tǒng)， 可在田邊架設(shè)主機(jī)以無(wú)線方式連接各從機(jī)，同時(shí)監(jiān)管多塊稻田。通過得到的數(shù)據(jù)可以方便快捷的查看田間的各種信息。主機(jī)和從機(jī)通過CC2530 模塊通信，從機(jī)用超聲波檢測(cè)水位，傳給主機(jī)直接顯示或通過GPRS 發(fā)送給遠(yuǎn)端手機(jī)用戶客戶端顯示， 主機(jī)還可檢測(cè)溫濕度以及光照強(qiáng)度，當(dāng)水位低于設(shè)定值并在光照強(qiáng)度小于某一定值時(shí)才會(huì)給稻田加水，否則一直等待。

1.2 從機(jī)

從機(jī)的主要功能是通過各超聲波模塊檢測(cè)一小塊稻田的水位，通過單片機(jī)分析處理并借助CC2530 發(fā)送至主機(jī)，與主機(jī)相互通信，主機(jī)接收多個(gè)從機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并向從機(jī)發(fā)送控制指令，控制水閘開啟灌水或排水，這樣就構(gòu)成了一套稻田節(jié)水自動(dòng)灌排物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

1.3 手機(jī)客戶端

用戶可通過手機(jī)客戶端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。用戶可根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)分析選擇相應(yīng)的控制方案或模式，用戶還可以根據(jù)需要自己添加模式和更改模式閾值，讓用戶可以隨時(shí)隨地查看田間的相關(guān)信息，及時(shí)了解稻田狀況，減少人力監(jiān)管負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

用戶通過手機(jī)客戶端對(duì)稻田水位進(jìn)行設(shè)置，主機(jī)和從機(jī)相互通信，對(duì)水位檢測(cè)，并做出相應(yīng)的處理，同時(shí)用戶也可以隨時(shí)隨地接收稻田水位信息，形成一個(gè)智能節(jié)水循環(huán)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

稻田灌溉系統(tǒng)主機(jī)由IAP15F2K61S2 單片機(jī)、CC2530 模塊、HC-05 藍(lán)牙模塊、GPRS 模塊、DHT11 溫濕度模塊、光控制模塊、LCD1602 顯示器、太陽(yáng)能電池板、充電蓄電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、水泵等組成，工作原理如圖 3 所示。

稻田灌排系統(tǒng)從機(jī)模塊主要包括IAP15F2K61S2 單片機(jī)、CC2530 模塊、超聲波模塊、太陽(yáng)能電池板、充電蓄電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，水閘等，工作原理如圖 4 所示。

主機(jī)和從機(jī)之間通過 CC2530 通信，從機(jī)檢測(cè)到稻田水位后，發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)處理后，返回給從機(jī)指令，從機(jī)做出相應(yīng)的處理，主機(jī)隨時(shí)都可將稻田信息通過GPRS 發(fā)送到用戶手機(jī)，用戶足不出戶便可知曉稻田的蓄水情況，也可以設(shè)置稻田水位。

主機(jī)的主控芯片采用IAP15F2K61S2 的主要原因在于STC 公司生產(chǎn)的這款單片機(jī)帶有仿真調(diào)試功能，且芯片內(nèi)部自帶可選擇晶振（5.529 6 ～27 MHz），芯片內(nèi)部自帶多個(gè)串口和 AD 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、終端等，這款單片機(jī)可使用通用性很強(qiáng)的 C 語(yǔ)言編程，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。

LCD1602 是11線控制液晶顯示屏，8 位數(shù)據(jù)總線， 3 位使能及控制總線。數(shù)據(jù)總線和 IAP15F2K61S2 單 片機(jī)的 P0 口連接，使能及控制總線和 P2.0-P2.2 引腳 連接，LCD1602 循環(huán)顯示由超聲波采集回來(lái)的某塊 稻田的水位數(shù)據(jù)。LCD1602 控制簡(jiǎn)單，不需要像數(shù) 碼管那樣多次掃描顯示數(shù)據(jù)，只需數(shù)據(jù)需要更改時(shí)， 在 LCD1602 中的寄存器中寫入相應(yīng)的字符 ASCII 值， LCD1602 內(nèi)部就會(huì)自己調(diào)用 ROM 存儲(chǔ)區(qū)查找相應(yīng)的 字符數(shù)據(jù)，控制液晶屏顯示對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣字符，形成文字， 不用單片機(jī)反復(fù)刷新顯示。此外，LCD1602 還帶有背光功能， 即使在田邊小屋沒有燈的情況下也能正常查看數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，其中主機(jī)完成數(shù)據(jù) 顯示，GPRS、CC2530 和藍(lán)牙串口通信，啟動(dòng)水泵 ；從機(jī)完 成 CC2530 通信、超聲波檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其程序流程如圖 5 所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)智能稻田節(jié)水自動(dòng)灌排系統(tǒng)通過一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)及手機(jī)客戶端的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了多塊稻田的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸及無(wú)人化稻田的自動(dòng)灌排，推動(dòng)了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。