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基于Arduino和Qt的农作物自动灌溉系统模型的设计

发布时间: 2022-11-10 10:00:05 来源:网友投稿

摘要:为了给农作物营造更好的生长环境,精确的掌握农作物生长情况以及环境的情况很有必要。本文设计了基于Arduino UNO微控制器的农作物自动灌溉系统模型,且上位机使用Qt软件设计人机交互界面。本设计不仅可以实时显示和掌握农作物的土壤湿度、环境温度、光照强度等信息,还可以通过相关信息对实时环境做出相应的改善或保持,具有一定的现实意义。

关键词:Arduino UNO;农作物自动灌溉系统;Qt软件

随着社会的发展进步,各个产业面向自动化。其中农业生产的自动化,有利于较少人力物力,且通过自动化装置精确的掌握农作物生长情况以及环境的情况,可为农作物营造更好的生长环境,促进农作物的增产[1]。另外水资源日益紧缺已经成为全球性的问题,大力发展节约用水不仅是革命措施,也是我国基本策略之一。农业用水占据我国总用水的70%,农业灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。因此本设计研究农作物自动灌溉系统模型有一定的必要性。

本设计以Arduino UNO微控制器为核心,采用流行的模块化设计方法进行系统软件的设计。在软件程序设计中,根据系统功能,采用Qt语言[2]进行编写。软件根据功能划分为若干独立易解决的模块,主要有如下程序模块组成:Arduino UNO温度采集、步进电机控制、继电器控制等。主要完成对土壤湿度控制,监控温度、环境湿度、光照强度以及土壤湿度等参数,并控制水泵进行滴灌补水作业,控制通风机进行通风操作,控制天窗的开启等。

1 系统总体框图设计

如图1为系统总框图,系统由5个模块与1个微控制器组成,分别是:温湿度传感器模块、实时监控模块、光照控制模块、水泵模块、蓝牙HC05模块、Arduino UNO微控制器。微处理器是Processing/Wiring开发环境,通过对外部环境的探测和记录测量,控制照明和电机以及其他的装置来反馈、起到影响环境改善环境的作用。通过土壤湿度传感器,室内温度传感器,光照传感器实时测量各种数据[3],利用步进电机,水泵,灯泡来改善相应的环境温度。

1.1 温湿传感器模塊

温湿度传感模块采用的是奥松公司的DHT11传感器[4]。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接,将数据处理后输出。具备温度050℃(±2℃),湿度2090%RH(±5%RH)的测量范围,参数满足本设计要求,质量可靠,价格低廉,易于购买,具备极高的性价比。

土壤湿度检测采用常用的电阻探针法,因其稳定可靠,成本低廉,易于布置。

1.2 实时监控模块

实时监控模块采用的是WLAN无线带录像式,因其性能稳定,便于组网且自带存储介质,可进行远程实时录像。

1.3 光照控制模块

本次设计采用德国海曼公司的VT90N1型光敏电阻作为传感器,因其性能稳定,质量可靠且安装简单方便。

1.4 水泵模块

本设计采用DC直流无刷水泵,因其采用无刷电机进行驱动,且陶瓷轴承寿命长,噪音小,自带过滤器,可预先过滤水池中杂质。

1.5 蓝牙模块

本设计采用汇承公司的HC05蓝牙串行模块,该模块基于UART通讯,可快速与移动设备建立连接,使从机与主机进行无线通讯,质量稳定可靠。

1.6 微控制器

Arduino作为新兴的硬件核心平台,拥有更快的运行速度,更低的功耗,以及丰富的片上外设资源,更可以方便地进行近乎无缝对接的跨平台代码移植,价格稍高于51单片机但并不昂贵,性价比很高,完全满足本次设计需求。因此本设计采用的Arduino UNO,处理器核心是ATmega328,具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出),6路模拟输入,一个16MHz晶体振荡器,一个USB口,一个电源插座,一个ICSP header和一个复位按钮[5]。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境,通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序,编译成二进制文件,烧录进微控制器。

2 系统的硬件设计

(1)电源管理电路,主电源向单片机控制核心与周边传感器提供工作电源,同时接收单片机的控制信号,控制通风风扇、灌溉水泵、加温设施与天窗。

(2)WLAN摄像头,采集控制区域内实时图像,并可多台组网,支持远程实时录像与播放,方便值班人员进行远程检查。

(3)传感器模块,包括DHT11温湿度传感器,VT90N1光敏电阻、土壤湿度探针。

(4)HC05模块,负责与上位机进行无线UART通讯。

(5)天窗控制模块,由STC单片机与控制核心通讯,并驱动步进电机,带动天窗进行开关操作。

3 系统的软件设计

如图3位系统软件流程图。先对传感器是否正常进行判断,若传感器数据采集传递正常,则将读取的数据,回传至PC机或手机客户端,并进行数据交换,通过数据的处理和调整,PC机或手机客户端发出控制指令,从而控制下位机通风机,水泵,天窗及照明加热等装置,来影响改变下位机之前的环境,最后数据进行再次检测并将实时数据传回PC机。

4 系统的调试

如图4所示为系统的整体实物模型图,是对现实情况的种植环境进行模拟,图5为Qt编写的上位机界面图。图6为相关参数的设置。两者之间根据预先设定好的协议通过蓝牙HC05模块和电脑进行通讯。在PC端插上蓝牙接收器,打开上位机界面,在其中设置好端口并连接,即可与图3所示下位机Arduino UNO微控制器实现数据交换。利用温湿度传感器模块、实时监控模块、光照控制模块对环境内每隔1.5s采集一下环境温度,光照,土壤湿度,光照强度并回传至上位机,在相应位置显示数据。并可以根据图6中预先设定的参数值对环境作出相应的干预,也可以根据实际情况直接在自己的手机上通过蓝牙串口与下位机通讯,对相应的技术参数进行修改或直接对环境进行人为干预。

5 结论

本设计利用Arduino UNO微控制器作为主控系统,并结合Qt应用程序设计了一套农作物自动灌溉系统模型。通过人机交互界面,对环境温度、湿度、光照强度以及土壤湿度等参数进行相关设置和控制。通过本套系统,可以为智慧农业技术的发展提供新的思路和解决方案,具有一定的价值。

参考文献:

[1]蒋益峰.基于物联网探讨智慧农业大棚系统的设计[J].农民致富之友,2016, (8).

[2]王存健.嵌入式Linux下Qt/Embedded的应用[J].计算机技术与发展,2006,16(11).

[3]赵国良.基于Zigbee智能农业环境参数检测系统的设计[J].科技展望,2016,26(31).

[4]任玲等.基于STC 单片机的种苗催芽室温湿度监控系统设计[J].农机化研究,2015,(3).

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J]电子设计工程,2012,20(16).

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