基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓偉超 黃連帥 潘南紅

摘要 為實(shí)現(xiàn)溫室大棚中的智能澆灌，設(shè)計(jì)一套以STM32為核心的智能滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有土壤檢測、水流控制和聲光報(bào)警功能。系統(tǒng)采用濕度傳感器檢測土壤濕度，用步進(jìn)電機(jī)控制水流開關(guān)，若發(fā)生情況用蜂鳴器和發(fā)光二級(jí)管（LED燈）進(jìn)行聲光報(bào)警。

關(guān)鍵詞 智能大棚；滴灌系統(tǒng)；STM32；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào) S274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）18-0167-02

Abstract In order to realize intelligent irrigation in greenhouse， a smart drip irrigation system based on STM32 is developed. The system can perform soil detection， water flow control and sound and light alarm. The humidity sensor is used to measure soil moisture， and water flow switch is controlled by stepping motor. In the abnormal case， the alarming of buzzer and LED will start.

Key words Intelligent greenhouse；Drip irrigation system；STM32；Stepping motor

近年來，隨著智能控制的發(fā)展，高效農(nóng)業(yè)的不斷增加，越來越多的人開始研究如何將智能控制應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上，智慧農(nóng)業(yè)大棚也隨之而生[1-4]。農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)中，澆灌系統(tǒng)是必不可少的一部分，而在干旱季節(jié)，水資源缺乏的地區(qū)，大面積的灌溉要求就無法得到保證。滴灌系統(tǒng)不僅能夠節(jié)約水源，還能夠有效地利用水資源[5-6]。目前，大多滴灌系統(tǒng)還處于人工管理的層面，使得在控制和管理上需要花費(fèi)較大的開銷。為了減少勞動(dòng)力的消耗和降低勞動(dòng)成本，智能控制已經(jīng)成為必然的趨勢。

筆者設(shè)計(jì)的基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)可以代替人工監(jiān)控。系統(tǒng)采用溫濕度傳感器進(jìn)行土壤濕度的測量，利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及配套傳送裝置控制液滴。若發(fā)生異常，蜂鳴器和發(fā)光二級(jí)管（LED燈）會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警。該系統(tǒng)不僅可以讓土壤保持應(yīng)有的水分，還可提高水的利用率，并且降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)行智能化管理。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主要包括濕度傳感器模塊、按鍵模塊、報(bào)警模塊和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路所控制的滴灌裝置。該系統(tǒng)采用性能高、功耗低的32位微處理器STM32F103芯片作為核心。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的主要工作原理：初始狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制滴灌裝置的開關(guān)關(guān)閉，此時(shí)無水滴流出。管理人員可以根據(jù)土地的濕度設(shè)置相應(yīng)的值，當(dāng)濕度傳感器檢測到土壤的濕度小于設(shè)定值時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過齒輪組轉(zhuǎn)動(dòng)傳送桿，傳送桿控制螺母松開對水管的擠壓，越來越多的水通過擠壓處流出，實(shí)現(xiàn)對作物進(jìn)行澆水。當(dāng)水流通過擠壓處流到土壤中后，土壤中的濕度傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測到土壤濕度。如果濕度達(dá)到管理人員設(shè)定的值，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母擠壓輸水管將水停止。當(dāng)整個(gè)澆灌系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如打開開關(guān)放水后，較長時(shí)間土壤濕度沒有變化，此時(shí)芯片將驅(qū)動(dòng)聲光裝置進(jìn)行報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由圖1可知，系統(tǒng)包含了濕度監(jiān)測、滴灌控制、報(bào)警等部分，該研究重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的核心部位：濕度土壤監(jiān)測和滴灌控制。

2.1 土壤濕度檢測

濕度監(jiān)測是系統(tǒng)的核心，該設(shè)計(jì)利用濕度傳感器模塊進(jìn)行土壤的濕度監(jiān)測。該模塊有3線制和4線制，該設(shè)計(jì)采用3線制進(jìn)行設(shè)計(jì)，減少開發(fā)成本。3線制使用中VCC外接高電平3.3～5.0 V，GND外接GND，D0直接與STM32相連，STM32通過D0來監(jiān)測高低電平，從而監(jiān)測濕度。內(nèi)部電路如圖2所示，該模塊采用工作穩(wěn)定的LM393作為比較器，確保了穩(wěn)定的輸出。調(diào)節(jié)VR1電阻可以改變所要監(jiān)測的閾值，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，D0輸出高，相反則輸出低。

2.2 滴灌控制

滴灌裝置可采用醫(yī)用輸液器進(jìn)行改裝，輸液控制螺母連接轉(zhuǎn)動(dòng)桿，轉(zhuǎn)動(dòng)桿末端焊接齒輪與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒輪組合成齒輪組。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)桿，轉(zhuǎn)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)螺母，實(shí)現(xiàn)對輸液滴管的擠壓，達(dá)到開關(guān)的效果。

由于STM32帶負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，所以在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與芯片之間采用L293D驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)STM32對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。它是一款雙橋驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)或一路步進(jìn)電機(jī)，最大輸出電流為600 mA，最大峰值輸出電流1.2 A，內(nèi)部自帶靜電釋放（ESD）保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由前述可知，濕度傳感器將濕度轉(zhuǎn)換成高低信號(hào)，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，D0輸出高電平，高于設(shè)定值時(shí)，輸出低電平。STM32利用判斷I/O口高低電平的方式來監(jiān)測D0的高低電平。系統(tǒng)流程圖如3圖所示。

系統(tǒng)開始時(shí)，首先進(jìn)行初始化。初始化完成后，STM32監(jiān)測D0是否輸出高電平，如果是低電平，繼續(xù)監(jiān)測。當(dāng)D0是高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，打開滴灌水管放水。待正轉(zhuǎn)完成，打開水管后，STM32繼續(xù)監(jiān)測D0口電平。當(dāng)D0口由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅刂破黩?qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，將滴灌管關(guān)閉。如果經(jīng)過了很長時(shí)間（此時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置），D0的電平未變高電平，此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)異常，啟動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)閉合滴灌水管開關(guān)后，微處理器又進(jìn)入監(jiān)測D0電平是否由低變高的程序中，以此來循環(huán)判斷濕度是否低于設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)循環(huán)供水的智能化監(jiān)控。

4 結(jié)語

該研究分析了基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)工作原理和實(shí)施細(xì)節(jié)，該系統(tǒng)能夠精確地測量土壤的濕度，并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行滴灌開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了智慧大棚中作物澆灌的智能化管理，有效避免了水源的浪費(fèi)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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