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第八屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告 智慧型低價位自動化滴灌系統
 

【作者: 義守大學】   2014年10月29日 星期三

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摘要


滴灌系統是引領傳統農業轉向現代化農業深刻變革的重要系統設計,是促進農業生產轉型、提升農業現代化水準、促進農業增產和節省水資源的重要設施。目前國家農業政策是農地再生、科技導入農業生產和經營規模逐步加廣與加深。處於現代化農業的轉型時期,高效能、低價位和簡易實用的滴灌系統必須被強力地引入農業高科技社會,以便結合規模化經營和大、小農生產同時存在的農業社會經濟條件。


本創意設計是以盛群半導體公司所開發的HT66F50做為整體控制核心,搭配功能完善的人機介面,並集合溫度、濕度和光強等三種環境感測器,依照感測器所獲得的數值自動改變滴灌系統的出水量和微噴霧系統的運作,進而在不影響農作物生長的情況下,將有限的水資源做到最大限度的使用則是本創意設計之主旨。


本創意設計兼具「智慧型」、「低價位」和「自動化」的特點,適合推廣至各個農業用戶;包括高科技農業、植物工廠、沙漠綠化和特殊栽培控制。


1. 前言


台灣在50年代即享有農業大國的美名。近年來台灣也積極轉向高科技農業,主要原因除了農業改革之外,另一原因即是台灣水資源面臨嚴重不足。台灣地狹人稠,導致每人每年所分配雨量僅及世界平均值之七分之一,使得情況岌岌可危。未來人口的增加以及經濟活動的擴張,將使得許多國家陷入缺水的困境。如果要說二十世紀是石油戰爭的世紀,那麼二十一世紀極有可能成為水資源戰爭的世代。因此,節水系統的開發勢在必行。


在面臨水資源匱乏的情況下衍生出許多解決方式,如抽取地下水。但過度抽取地下水會導致地層下陷,除了容易造成雨季淹水之外,臨海地區也會出現海水倒灌的危機。有鑑於此廠商紛紛引進節水系統,但多數節水系統皆屬於手動或半自動系統,在使用上極度不方便。因此,本設計將系統升級至全自動化以克服操作上的問題。此外,傳統滴灌系統多採用固定的出水量,微噴霧系統亦採固定模式,但這無法滿足複雜多變的氣候環境。因此,本設計採用溫度、土壤濕度和光強等三種感測器,並依照感測器所獲得之實際環境參數,改變滴灌系統的出水量和微噴霧系統之運作,進而規劃出完美的滴灌比例,以克服日漸加劇的極端氣候。


就銷售層面而言,熱銷產品是要人人買得起,各個都會用。但隔行如隔山,且經濟效益掛帥的背景之下,在系統控制與經費負擔都必需盡量理想。因此,本設計之高效能與低價位應互相兼顧。


HT66F50是顆多才多藝的MCU,將優秀的演算法加諸其上,有如猛虎添翼。可以有效增加產品的附加價值,並提升其市場競爭力。


2. 工作原理


本創意設計以盛群半導體公司所開發的HT66F50做為整體核心。搭配功能完善的人機介面和溫度、土壤濕度和光強等三種感測器以及滴灌系統和微噴霧系統。依內部規劃,在不影響農作物生長的情況下,將有限的水資源做到最大限度的使用。


溫度高低影響農田水分的蒸散、土壤濕度影響農作物成長和太陽光強影響植物行光合作用導致的水分散失,以上表明了溫度、土壤濕度和光強必須有精確的量測和控制。使用精準的感測器以偵測環境細微變化是不可避免的。感測器為一物理裝置,能偵測外界訊號、物理條件和化學成分,並將探知的訊息傳遞給其他裝置,主要用於自動控制工程和維安設備上。但在科技不發達的年代,物理量的量測方法大多以不精確的方式推估,使得在認定上欠缺公信力。隨著科技日漸發達,元件製作技術逐漸精密化,越來越多的感測器逐漸被開發。本創意設計針對空氣中的溫度、土壤中的濕度和太陽光的光強進行偵測,並將測得的類比訊號經由類比-數位轉換介面轉換成數位訊號,依此作為周邊系統驅動之依據。由於不同使用者對於環境偵測與系統功能各有所需。因此,本創意設計特別預留四組A/D通道,以利日後依地區或特殊功能之需求進行客製化量產。


周邊系統運作主要以溫度轉換值(VT)、土壤濕度轉換值(VW)和光強轉換值(VL)等三值進行規劃,進而獲得溫度狀態判斷式(KT)、土壤濕度狀態判斷式(KW)和光強狀態判斷式(KL)。經多次實驗及統計後,獲得可行之滴灌系統PWM計算公式。公式一為溫度狀態判斷式、公式二為土壤濕度狀態判斷式、公式三為光強狀態判斷式、公式四為滴灌系統PWM計算公式。


圖一
圖一

本創意設計依使用地區不同預先設定10種作物種類,但礙於篇幅關係在此以玉米、小麥和稻米等作為範例。由於多功能的需求一直是市場主流,但農作物的種類相當繁雜,單一系統並無法整體概括。因此,除了預先設計的灌溉模式,另行規劃自訂滴灌模式。除了解決多樣性農作物的滴灌問題,亦可提供農民將自身農務經驗化為實際滴灌數據,依此滿足不同農民和不同作物之需求。


2.1 玉米滴灌模式


玉米的產地分布甚廣,其主要原因為對於灌溉要求不高,即使極低的灌溉水量亦可使其順利生長。雖然極少水分即可順利成長,但過多的水分亦容易使其產生病蟲害,如:銹病、紋枯病、媒紋病和露菌病等。故應注意排水問題以及通風問題。因此規劃以下參數。表1為玉米滴灌參數對應表。


圖二
圖二

2.2 小麥滴灌模式


小麥屬溫帶作物,主要產地分布於北緯30度至60度;南緯27度至40度之間。全生育期間麥田內不宜有積水狀態,所以灌溉時應注意切勿積水,如欲降雨多時應注意排水。因土壤太過潮濕容易導致吸收養分及行光合作用受阻。若再遇高溫容易發生蚜蟲為害及誘發白粉病、銹病等病害。因此規劃以下參數。表2為小麥滴灌參數對應表。


2.3 稻米滴灌模式


稻米屬於熱帶作物。主要產地分布於東南亞,其主要原因在於對水的依賴性極高,需要大量的灌溉用水。雖然稻米對於水的依賴性極高,但亦須注意通風的問題,否則會產生稻紋枯病之病害。因此規劃以下參數。表3為稻米滴灌參數對應表。


2.4 自訂滴灌模式


本創意設計雖然可以達到灌溉最佳化的效果,但世界上的農作物種類不在少數,並非單一系統可以整體概括。因此,除了玉米、小麥和稻米三種主要作物之灌溉模式外,另外規劃自訂滴灌模式。除了解決多樣性農作物的滴灌問題,亦可提供農民將自身農務經驗化為實際滴灌數據,依此滿足不同農民之需求。表4為自訂滴灌參數對應表。


3. 作品結構


本創意設計結構主要針對硬、軟體兩大部份分別討論。在此主要闡明HT66F50在電路中與各系統間之相互關係、其I/O接腳配置說明和硬體架構之描述。再透過系統流程圖與程式演算法,藉此說明系統之軟體設計概念。


3.1 硬體結構


本創意設計使用盛群半導體公司所開發的HT66F50做為整體核心。它是一顆8位元的A/D型MCU,符合工業上-40度85度工作溫度和高抗雜訊之性能要求。硬體方塊圖包含:電源供應系統、人機介面、溫度感測模組電路、土壤濕度感測模組電路、光強感測模組電路、備用感測器模組電路、滴灌系統控制電路、微噴霧系統控制電路和灌溉進行指示電路。整體系統之供電由電源供應系統產生5V和12V。其中5V供MCU、感應器和周邊IC使用,12V供給滴灌系統與微噴霧系統使用。圖1為硬體方塊圖。


圖三
圖三

3.1.1 腳位設定


本系統採用一顆HT66F50來當作系統主控制機,分配本系統所需進行工作。令HT66F50之眾I/O各司其職,從事特定工作。


以Port A之0~3分別做為溫度、土壤濕度、光強和水位等四種感測器之傳輸腳位,並將


Port A之4~7做為感測器預備腳位。Port B 0~3作為按鍵,Port B 4做為蜂鳴器傳輸腳位,


Port B 5做為微噴霧系統驅動腳位。Port C 0~7和 Port D 0~2作為LCM傳輸腳位。Port D 3 做為滴灌系統驅動腳位。圖2為HT66F50腳位分配圖。


3.1.2 人機介面


人機介面是儀器和使用者的溝通橋樑。本創意設計使用SAG12864E8FXID液晶顯示器模組做為人機互動介面,並具傻瓜功能及操作方式,即使是鄉村農民也可以在極短時間內學會使用本產品。圖3為液晶顯示器模組圖;表5為液晶顯示器模組腳位對應圖。


3.1.3 蠕動泵浦


蠕動泵浦是利用馬達軸承帶動三個滾輪,連續對軟管進行擠壓動作,如同以手指依序擠壓軟管,軟管內的流體即向前移動。本創意設計以「滴灌系統PWM計算公式」獲得Duty Cycle,依此驅動滴灌系統。圖4為蠕動泵浦運作原理圖、圖5為蠕動泵浦驅動電路。


3.1.4 微噴霧系統


微噴霧系統是以MCU提供訊號給N型電晶體控制繼電器之開關狀態,依此達到驅動微噴霧系統。此以蠕動馬達做為微噴霧系統之水源供給。圖6為微噴霧系統電路圖。


圖四
圖四

3.1.5 溫度感測器


本創意設計所採用的溫度感測器為LM35DZ,其工作電壓為4V~20V,感測範圍為0℃~100℃,輸出電壓與攝氏溫度呈線性關係,是一種被廣泛使用的溫度傳感器。圖7為LM35DZ溫度電流曲線圖。


圖五
圖五

3.1.6 土壤濕度感測器 & 水位感測器


本創意設計所採用的土壤濕度感測器和水位感測器同為YL-38,其工作電壓為3.3V~5V,可精確的獲得土壤濕度值。圖8為土壤濕度感測器電路圖。


3.1.7 光強感測器


本創意設計所採用的光強感測器為BH1620FVC,其工作電壓為2.4V~5.5V,並三段式控制電流輸出增益。主要偵測可見光之光強。圖9為光強感測器電路圖、表6為光強感測模式對照表、表7為光強感測電壓光強轉換公式表。



圖六
圖六

3.2 軟體結構


本創意設計之開發有賴於 HT66F50 豐富的可程式化硬體,如I/O、Timer、ADC…等等。上電後開始初始化,先判斷系統工作狀態並且顯示狀況。由人機介面執行傻瓜式動作,緊接著執行所選的灌溉模式。每一灌溉流程系統皆會給予灌溉進行指示和灌溉狀態報告。


開機初始化後立刻進入灌溉模式選單,本創意設計提供「玉米、小麥、稻米和自訂」等四種不同灌溉模式。確定執行模式後系統依序執行三種感測器之A/D轉換,系統依此微調滴灌參數和控制微噴霧系統運作。執行滴灌模式時系統持續依水位感測器判斷供水系統是否異常,並提供相關資訊,以利使用者排除障礙和保護系統。離開滴灌模式後系統再次詢問是否執行其他模式,欲執行其他模式則再次進入模式選單,若不執行則結束。圖10為系統流程圖。


圖七
圖七

4. 系統測試


本創意設計在系統測試主要以溫度、土壤濕度和光強三種感測器模組以及滴灌系統和微噴霧系統進行測試。下列即為本創意設計重要功能之系統測試報告。圖11為介面介紹圖。


圖八
圖八

4.1 溫度感測模組測試


溫度感測器的測試方法是利用不同環境溫度攝氏25℃和28℃,將感測器所測得之值與感測儀進行比對,依此確定感測器之精準性。圖12為環境溫度25℃之比較圖、圖13為環境溫度28℃之比較圖。


4.2 土壤濕度感測模組測試


由於本開發環境內並未配備土壤濕度檢測儀,且市售檢測儀過於昂貴,在經費有限的情況下,測試方法較為簡便。測試方式以乾土(0%)為對象,以針筒慢慢加水模滴灌系統,並觀察開發程式(HT-IDE)中ADRH和ADRL之值,直至ADRH和ADRL值達到最大值3FF (100%)。圖14為土壤濕度0%圖、圖15為土壤濕度100%圖。


圖九
圖九

4.4 滴灌系統測試


滴灌系統之測試方式為改變測試環境達到Duty Cycle=50%和Duty Cycle =100%驅動滴灌系統,觀察滴灌出水量之變化,依此確認PWM和滴灌出水量之相對關係。圖18為Duty Cycle = 50%之滴灌圖、圖19為Duty Cycle = 100%之滴灌圖。


4.5 微噴霧系統測試


微噴霧系統驅動條件為滴灌模式啟動後每五分鐘擷取溫度,在第二十五分鐘時將五點溫度平均,判斷是否達到預設之微噴霧系統啟動五分鐘之條件。因此,測試方式為在開發程式(HT-IDE)下之滴灌模式運行後取得平均溫度之時設立中斷點,並觀察平均溫度是否達到預設之微噴霧系統啟動條件(平均溫度>25℃)和噴霧系統是否正確啟動。圖20為五點溫度與五點平均溫度。圖21為微噴霧系統啟動狀態。



圖十
圖十

5. 結論與討論


經過一系列的測試和實驗,一套以「智慧型」、「低價位」和「自動化」為特點的農業用灌溉節水系統已成功被開發。透過HT66F50的豐沛硬體資源和使用彈性,搭配各種模組的精巧控制,用水量僅只傳統灌溉用水的30%。實際體驗後感覺十分滿意,是一個成功的產品。


由於開發時間不足、特殊設備無法取得再加上經費有限的情況下,許多外部裝置無法完整呈現。如:灌溉用水的檢測。未來農民可以更輕鬆的管理作物。沙漠綠化之特殊栽培運用層面更加廣闊,有效提升高科技農業之發展。


本產品將會對農業用灌溉節水系統掀起一場革命性的改變,市場競爭力和經濟效益將無可限量。


6. 參考文獻


1.鐘啟仁 HT66Fxx Flash MCU原理與實務-組合語言篇 全華圖書股份有限公司 2010


2.鄭世政 自動噴灑灌溉系統在景觀方面應用之研究 國立臺灣大學 2002


3.周洋 智能灌溉監控系統的設計與應用研究 武漢理工大學 2004


4.賀才良 自動灌溉控制器設計 邵陽學2010


5.遲天陽,楊方,果莉 節水灌溉中土壤濕度傳感器的應用 東北農業大學 2006


6.http://www.holtek.com.tw/pdf/uc/ht66fx0v190.pdf


7.http://netafim-taiwan.myweb.hinet.net/drip%20tech.htm


(本文作者為義守大學電子工程學系汪?茂教授、李昱緯、張致豪、趙德銘、黃登冠)


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