基于STM32技术的智能灌溉系统设计_林秋澧.pdf

2023.6电脑编程技巧与维护1概述灌溉，作为农业生产必要的管理项目之一，是农业生产管理的重点。随着科技的不断发展，灌溉方式也由传统的漫灌、沟灌等，向滴灌、喷灌、渗灌等节水型灌溉模式转变，同时灌溉控制方式也不再需要过多人工的介入，通过安卓/iOS手机端即可进行灌溉作业1。灌溉系统是农业物联网的应用项目之一，涉及物联网传感器、自动控制技术、计算机技术、无线通信网络等，功能是灌溉区域信息采集、灌溉策略控制、历史数据管理、自动示警等。灌溉系统为实现农业由传统的劳动密集型向技术密集型转变奠定了重要的基础2。灌溉系统主要面向农田、园林、温室、公园、市政等场景，通过现代化的技术手段，达到降低人力成本、提高自动化生产效率、节约水资源的目的3。智能灌溉系统一般包含农田灌溉控制器、土壤环境监测云平台和App自动灌溉。智能灌溉全程自动，智能水肥一体化远程控制，具有多种浇灌、增产、计水电、节能、节水等功能。农田灌溉系统中的远程终端可以通过手机或本地触摸屏进行灌溉和排水，无需人员现场操作，可降低人工成本、提高生产效率。其中，农田的监测点、阀控点无线传输距离达3 km，管理面积大。系统采用电池或太阳能供电，可大大节省线缆铺设成本4。2分析与设计2.1需求分析与总体框图通过前期调研，对智能灌溉系统的功能需求进行分析，主要考虑以下5个方面。（1）在数据采集上，该系统需要接收土壤湿度传感器、压力采集器、土壤酸碱度（pH）值传感器、土壤电导率传感器等设备获取的数据。这些数据主要包括土壤含水量、酸碱度等。设备的采集频率可调整，并实现24 h不间断获取。（2）在智能控制上，该系统需要支持定时灌溉、循环灌溉、远程灌溉3种灌溉模式，并可对灌溉量、灌溉时间、灌溉条件、灌溉阀门等参数进行设定。根据灌溉区域、灌溉需要，系统可灵活选用控制方式。（3）在自动示警上，系统需要对土壤墒情、土壤酸碱度、阀门开关等信息进行报警，以声光、云平台消息、短信、邮箱等形式预警。（4）在数据管理上，系统的云平台可自动存储环境监测数据、灌溉作业等信息，可查询任意时间段的历史记录，以数据表格形式查看，并可导出下载表格为Excel格式。（5）在功能拓展上，组成智慧灌溉系统的硬件设备，即土壤温湿度传感器、智能阀门、智能网关等设备，可灵活选配类型、数量。系统最高支持接入5个感知设备和5个智能阀门。设计的智能灌溉系统的总体框架如图1所示。作者简介：林秋澧（2000），男，本科，研究方向为电子科学与技术。基于 STM32 技术的智能灌溉系统设计林秋澧，段元梅（湖南科技学院智能制造学院，湖南 永州425199）摘要：随着 STM 单片机、无线通信技术的飞速发展，智能灌溉系统不但能有效地利用水资源，还能提高自动化生产效率，大大降低人力成本和管理成本，显著提高效益。基于嵌入式物联网服务器与无线传输数据采集终端，配置土壤水分传感器、水力电磁阀、超声波流量计等，加上数据管理平台，设计实现了无线远程的灌溉控制管理。采用多节点、多级数的采集传输模式，让传感器的安装不受限制，同时监测点之间没有距离限制。通过实验验证，该系统特别适合大范围的多点土壤水分监测项目及自动灌溉项目，系统的监控中心和移动管理客户端可采用计算机、手机等方式，通过上网实现远程通信控制，也可以通过通用分组无线业务（GPRS）/3G/4G/5G 网络、现场短距离无线自组网络等方式实现远程及本地控制。关键词：STM32 单片机；智能灌溉；传感器；无线通信；自组网络图1智能灌溉系统的总体框架4G+5G全网通安卓/iOSInternet以太网WiFiLORA智能网关电动模阀脉冲阀温度采集器光照度采集器数据采集及监控中心119DOI:10.16184/prg.2023.06.0382023.6电脑编程技巧与维护2.2智能灌溉系统的相关技术2.2.1STM32STM32是新的基于ARM内核的32位微控制单元（MCU）系列。内核为ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的Cortex-M内核。STM32为标准的ARM架构，具有超前的体系结构、高性 能、低 电 压、低 功 耗 和 创 新 的 内 核 及 外 设。以STM32F103C8T6单 片 机 为 处 理 核 心。印 制 电 路 板（PCB）是嘉立创打板，板子为两层板，颜色为绿色，厚度是1.2，上下覆铜接地。元器件基本上为插针式，个别降压芯片会使用贴片式。供电接口为TYPE-C及5V电压，使用充电宝供电即可。通过STM32单片机，设计实现对农作物大棚环境的温度、湿度、光强度和土壤湿度进行监测，并根据具体情况进行相应的补水和补光。2.2.2传感器以光照传感器作为采集对象，利用采集控制系统对光照进行采集，然后将采集到的光照度上传到物联网平台，该物联网平台再将数据实时可视化。光照传感器连接方式阐述如下。光照传感器由电源供电，使用Mod-bus协议通信，485线传输数据，并连接串口服务器。系统使用网线将串口服务器连接交换机，即可获取以太网采集到的光照数值。在应用传感器技术时，必须给串口服务器分配一个IP地址和端口。具体方法是打开分配的软件ZLVirCom，单击设备管理，找到串口服务器的3号口，即可分配IP地址、端口和传感器的波特率停止位。3智能灌溉系统的实现3.1系统模块设计以单片机为核心控制器，加上其他模块一起组成此次设计的整个系统。其他模块包括中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用单片机控制器，该控制器的主要作用是获取输入部分的数据，经过内部处理，逻辑判断，最终控制输出部分。输入由3部分组成，（1）是土壤湿度检测模块，通过该模块检测当前环境的土壤湿度；（2）是按键模块，通过该模块可以切换界面、设置阈值、切换模式等；（3）是供电模块，通过该模块可以给整个系统进行供电。输出由3部分组成：（1）是显示模块，通过该模块可以显示监测的数据及设置的阈值；（2）是继电器模块，通过继电器控制加水；（3）是声光报警模块，该模块监测到土壤湿度小于设置的最小值时进行声光报警，直到加水继电器打开并加水到土壤湿度最大值，取消声光报警。此外，蓝牙模块既作为输入又作为输出。蓝牙模块和手机进行连接，可将监测的数据传输到用户手机端，用户也可以通过手机端发送指令控制继电器的工作及其模式的切换。3.2传感器工作土壤湿度传感器工作的设计阐述如下：传感器测出土壤湿度模拟信号，模数（AD）转换器将该模拟信号转换成数字信号后传输到STM32单片机，单片机将土壤湿度数据与设定的上下限值进行比较。当土壤湿度低于下限时，驱动水泵工作进行灌溉浇水，并提供声光报警。当土壤湿度增加至超过下限时，声光报警关闭，但水泵会继续工作，直到土壤湿度继续增加并超过设定的上限值为止。用户可通过按键设定湿度上下限值，土壤湿度数据和上下限值数据均通过液晶显示器（LCD）实时显示。例如，当LCD显示当前测量的土壤湿度（Hu-midity）为53%，系统预设的湿度上限为60%、下限为30%，土壤湿度正常，在上下限范围之内。此时湿度低，报警灯和蜂鸣器处于关闭状态，继电器开关开至下方，水泵处于断电状态。通过调节滑动变阻器，可改变输入ADC0832采样通道的电压大小，从而模拟土壤湿度的变化。单击系统控制平台，将模拟土壤湿度的降低。例如，当土壤湿度从53%降低至23%，低于下限值30%时，红色发光二极管（LED）报警灯点亮，蜂鸣器发声，继电器开关自动打至上方，水泵通电，开始浇水，绿色的水泵工作指示灯也被点亮。单击系统控制平台，将模拟土壤湿度的增加。当土壤湿度从23%增加至37%，超过下限时，声光报警停止工作，但水泵会继续工作，直到土壤湿度继续增加到高于上限值为止。在设计时，当水泵停止工作（即土壤湿度超过上限）后，调节模拟土壤湿度的下降，在下降到上下限范围内时，水泵不会启动，只有土壤湿度继续下降至低于下限时才会启动。同理，通过按键可以预设湿度的上下限值，单击“设定”键，可进入上下限设置模式。首先是上限值光标闪烁，此时可以单击加/减键，以改变上限值的大小；当上限值设置完成后，单击“设定”键，下限值光标闪烁；当单击加/减键时，可改变下限值的大小。当上下限值都设置完成后，再次单击“设定”键，退出上下限设置模式。3.3系统的主流程智能灌溉系统的环控数据涉及温度、湿度、二氧化碳浓度、风速、风向和光照等，利用可靠的传感器，将数据汇集在一起，在设计的环控软件上，可以看到这些数据。根据这些数据即可修正灌溉策略。首先对各数据模块进行初始化，随后进入while主循环，在主循环中，（1）进入第1个按键函数，该函数主要分为两部分，一1202023.6电脑编程技巧与维护息技术,2021,5(10):172-174.4方振生,任林超,宋玉玲,等.基于单片机的在线示波器实验设计J.电脑知识与技术,2022,18(33):87-89.5王开宇.基于Android平台软件开发方法研究J.信息与电脑,2022,34(19):137-139.6李鸿松.高速高精度虚拟示波器硬件设计与实现D.成都:电子科技大学,2021.部分为调用按键扫描函数获取按键键值；另一部分通过键值进行相应的处理操作，包括切换界面、设置阈值等；（2）进入第2个监测函数，该函数主要通过调用相应的驱动函数获取测量值，并通过蓝牙模块将监测的数据传输到手机端，用户也可以通过手机端发送指令，设备根据用户发送的指令执行对应的处理；（3）进入第3个显示函数，该函数显示监测值及阈值；（4）进入第4个处理函数，该函数主要判断当前土壤湿度是否在设置的范围之内，监测到湿度大于设置的最大值，停止加水，取消声光报警；监测到湿度小于设置的最小值，启动水泵进行加水，且进行声光报警。在上述流程中，增加温湿度测量盒触发约束命令。在系统中，设置了多个规则，当遇到非常规情况时，其他的规则会被触发，共同约束灌溉行为。所以，当光照辐射量达标，但室内温度和湿度不符合灌溉设定条件时，灌溉不会自动启动。在多个命令的协调下，系统会对灌溉时长和周期自行修正，这样文中设计的灌溉系统仍然是精准合理的。通过温湿度测量盒，灌溉策略得到了改善，但要做到精准化，还涉及了基质称和给液回液收集装置来进一步修正。基质称顾名思义是用来称重基质质量的，它记录着相同时间间隔内基质的质量变化。这里涉及到给液、植物消耗量和回液等，通过过程计算系统的周密运算，调整修正第2天的灌溉策略，具有即时性和随机性。基质称的给液回液收集装置，可以对给液和回液进行综合处理。该智能灌溉系统能更直观地看到灌溉量、植物消耗量、排废量，还包括每一次灌溉的排占比。通过此方法提高该系统的灌溉精准度，并且可以检测pH值，双重呵护植物生长。4智能灌溉系统测试对智能灌溉系统进行了一系列的测试。其中，系统的稳定性是非常重要的一项，它决定了一套系统能否真正实现智能化，能否达到大型农场无人化管理的要求。（1）测试硬件的可靠性。硬件设计是决定系统质量好坏的关键所在，与设计能力、使用的元器件是否优质、组装工艺、后续测试是否严格等有着密不可分的关系。中间任何一个环节的不严谨都有可能导致硬件不可靠，进而影响系统的总体质量。因此，对所用元器件设计有非常严格的流程和标准，以确保硬件可靠性。（2）测试系统的控制可靠性。通常所说的控制可靠性是指在允许的工作条件下，设备可以响应控制指令并能实现全部操作目标的概率，概率越高，系统就越稳定。影响控制可靠性的关键是软件设计，程序是否有漏洞。为了软件控制可靠，制定了一套长期测试标准，系统的每个指令都要求测试通过。（3）测试报警系统的监控。在硬件和控制可靠的基础上，智能灌溉系统多加了一道防护，即报警系统。该报警主要涵盖了开关阀失败报警、水压超范围报警和设备低电池电量报警。当发生这些异常情况时，系统会向用户手机发送报警短信，通知用户及时查看解决，以防止无人看管状态下造成不可挽回的损失。5结语设计实现的智能灌溉系统，以远距离无线电等无线网络为通信方式，对应用环境的网络条件没有要求，系统易于扩展。该系统硬件配置灵活，可任意升级、更换被控硬件设备，仅需在云平台接入即可。系统人机界面友好，实现了安卓/iOS手机App、计算机网页、计算机软件等