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摘要：為了給農作物營造更好的生長環境，精確的掌握農作物生長情況以及環境的情況很有必要。本文設計了基于Arduino UNO微控制器的農作物自動灌溉系統模型，且上位機使用Qt軟件設計人機交互界面。本設計不僅可以實時顯示和掌握農作物的土壤濕度、環境溫度、光照強度等信息，還可以通過相關信息對實時環境做出相應的改善或保持，具有一定的現實意義。
關鍵詞：Arduino UNO；農作物自動灌溉系統；Qt軟件
隨著社會的發展進步，各個產業面向自動化。其中農業生產的自動化，有利于較少人力物力，且通過自動化裝置精確的掌握農作物生長情況以及環境的情況，可為農作物營造更好的生長環境，促進農作物的增產[1]。另外水資源日益緊缺已經成為全球性的問題，大力發展節約用水不僅是革命措施，也是我國基本策略之一。農業用水占據我國總用水的70%，農業灌溉效率低下和用水浪費的問題普遍存在。因此本設計研究農作物自動灌溉系統模型有一定的必要性。
本設計以Arduino UNO微控制器為核心，采用流行的模塊化設計方法進行系統軟件的設計。在軟件程序設計中，根據系統功能，采用Qt語言[2]進行編寫。軟件根據功能劃分為若干獨立易解決的模塊，主要有如下程序模塊組成：Arduino UNO溫度采集、步進電機控制、繼電器控制等。主要完成對土壤濕度控制，監控溫度、環境濕度、光照強度以及土壤濕度等參數，并控制水泵進行滴灌補水作業，控制通風機進行通風操作，控制天窗的開啟等。
1 系統總體框圖設計
如圖1為系統總框圖，系統由5個模塊與1個微控制器組成，分別是：溫濕度傳感器模塊、實時監控模塊、光照控制模塊、水泵模塊、藍牙HC05模塊、Arduino UNO微控制器。微處理器是Processing/Wiring開發環境，通過對外部環境的探測和記錄測量，控制照明和電機以及其他的裝置來反饋、起到影響環境改善環境的作用。通過土壤濕度傳感器，室內溫度傳感器，光照傳感器實時測量各種數據[3]，利用步進電機，水泵，燈泡來改善相應的環境溫度。
1.1 溫濕傳感器模塊
溫濕度傳感模塊采用的是奧松公司的DHT11傳感器[4]。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，將數據處理后輸出。具備溫度050℃（±2℃），濕度2090%RH（±5%RH）的測量范圍，參數滿足本設計要求，質量可靠，價格低廉，易于購買，具備極高的性價比。
土壤濕度檢測采用常用的電阻探針法，因其穩定可靠，成本低廉，易于布置。
1.2 實時監控模塊
實時監控模塊采用的是WLAN無線帶錄像式，因其性能穩定，便于組網且自帶存儲介質，可進行遠程實時錄像。
1.3 光照控制模塊
本次設計采用德國海曼公司的VT90N1型光敏電阻作為傳感器，因其性能穩定，質量可靠且安裝簡單方便。
1.4 水泵模塊
本設計采用DC直流無刷水泵，因其采用無刷電機進行驅動，且陶瓷軸承壽命長，噪音小，自帶過濾器，可預先過濾水池中雜質。
1.5 藍牙模塊
本設計采用匯承公司的HC05藍牙串行模塊，該模塊基于UART通訊，可快速與移動設備建立連接，使從機與主機進行無線通訊，質量穩定可靠。
1.6 微控制器
Arduino作為新興的硬件核心平臺，擁有更快的運行速度，更低的功耗，以及豐富的片上外設資源，更可以方便地進行近乎無縫對接的跨平臺代碼移植，價格稍高于51單片機但并不昂貴，性價比很高，完全滿足本次設計需求。因此本設計采用的Arduino UNO，處理器核心是ATmega328，具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕[5]。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。
2 系統的硬件設計
（1）電源管理電路，主電源向單片機控制核心與周邊傳感器提供工作電源，同時接收單片機的控制信號，控制通風風扇、灌溉水泵、加溫設施與天窗。
（2）WLAN攝像頭，采集控制區域內實時圖像，并可多臺組網，支持遠程實時錄像與播放，方便值班人員進行遠程檢查。
（3）傳感器模塊，包括DHT11溫濕度傳感器，VT90N1光敏電阻、土壤濕度探針。
（4）HC05模塊，負責與上位機進行無線UART通訊。
（5）天窗控制模塊，由STC單片機與控制核心通訊，并驅動步進電機，帶動天窗進行開關操作。
3 系統的軟件設計
如圖3位系統軟件流程圖。先對傳感器是否正常進行判斷，若傳感器數據采集傳遞正常，則將讀取的數據，回傳至PC機或手機客戶端，并進行數據交換，通過數據的處理和調整，PC機或手機客戶端發出控制指令，從而控制下位機通風機，水泵，天窗及照明加熱等裝置，來影響改變下位機之前的環境，最后數據進行再次檢測并將實時數據傳回PC機。
4 系統的調試
如圖4所示為系統的整體實物模型圖，是對現實情況的種植環境進行模擬，圖5為Qt編寫的上位機界面圖。圖6為相關參數的設置。兩者之間根據預先設定好的協議通過藍牙HC05模塊和電腦進行通訊。在PC端插上藍牙接收器，打開上位機界面，在其中設置好端口并連接，即可與圖3所示下位機Arduino UNO微控制器實現數據交換。利用溫濕度傳感器模塊、實時監控模塊、光照控制模塊對環境內每隔1.5s采集一下環境溫度，光照，土壤濕度，光照強度并回傳至上位機，在相應位置顯示數據。并可以根據圖6中預先設定的參數值對環境作出相應的干預，也可以根據實際情況直接在自己的手機上通過藍牙串口與下位機通訊，對相應的技術參數進行修改或直接對環境進行人為干預。
5 結論
本設計利用Arduino UNO微控制器作為主控系統，并結合Qt應用程序設計了一套農作物自動灌溉系統模型。通過人機交互界面，對環境溫度、濕度、光照強度以及土壤濕度等參數進行相關設置和控制。通過本套系統，可以為智慧農業技術的發展提供新的思路和解決方案，具有一定的價值。
參考文獻：
[1]蔣益峰.基于物聯網探討智慧農業大棚系統的設計[J].農民致富之友，2016， （8）.
[2]王存健.嵌入式Linux下Qt/Embedded的應用[J].計算機技術與發展，2006，16（11）.
[3]趙國良.基于Zigbee智能農業環境參數檢測系統的設計[J].科技展望，2016，26（31）.
[4]任玲等.基于STC 單片機的種苗催芽室溫濕度監控系統設計[J].農機化研究，2015，（3）.
[5]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J]電子設計工程，2012，20（16）.
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