基于STM32單片機的智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)

鄢紀豪，高 琴，高浩源，黃曉龍，陽光造

（防災科技學院，河北 三河 065201）

0 引 言

我國是一個干旱缺水嚴重的國家。我國的淡水資源總量為28 000億立方米，占全球水資源的6%，并且是全球人均水資源最貧乏的國家之一。我國2018年的農(nóng)業(yè)用水總量為3 693億立方米，占全國用水總量的61.4%。因此，改進農(nóng)業(yè)技術(shù)，更有效地利用灌溉水，對于緩解水資源短缺及相關的環(huán)境問題十分重要。

目前，滴灌是農(nóng)業(yè)灌溉中節(jié)水能力較強的灌溉技術(shù)之一。滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度；同時，由于其能做到適時地供應作物根部所需水分，不存在外圍水的損失問題，又使水的利用效率大大提高。但是傳統(tǒng)的滴灌技術(shù)中，主要的控制設備由各種手動、機械操作或電動操作的閘閥組成，難以通過對土壤濕度的分析自動調(diào)節(jié)灌溉水量。

1 智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理

智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。首先通過土壤檢測傳感器檢測土壤濕度并輸出與其相對應的模擬信號；然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號，通過無線傳輸模塊發(fā)送給單片機。單片機將采樣值與程序中設置的適宜農(nóng)作物生長的濕度進行對比，判斷是否需要灌溉后，發(fā)送信號控制閥門自動開關，從而實現(xiàn)對灌溉水量和土壤濕度的自動調(diào)節(jié)。例如，當測定值低于設定濕度范圍值的下限時，單片機輸出一個信號控制電磁閥打開，開始滴灌；當測定值高于設定濕度范圍值的上限時，再由單片機輸出一個信號控制電磁閥關閉，從而停止滴灌。

圖1 智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理

2 系統(tǒng)的硬件設計

為了滿足大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的使用需求，需要系統(tǒng)操作簡單便捷，同時還需要兼顧硬件設備在體積、電耗、性能、安全性、使用壽命等方面的需求，使系統(tǒng)具有較強的實用性與簡便的操作性。所以在硬件電路設計中盡可能選用功耗小、性能穩(wěn)定、安全性高、使用壽命長的集成電路。本系統(tǒng)硬件模塊主要由三大模塊構(gòu)成：STM32系列單片機控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、機器運轉(zhuǎn)模塊。

2.1 STM32系列單片機控制模塊

微型控制器是智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的核心部分，它控制灌溉系統(tǒng)的基本功能設定和數(shù)據(jù)的接收、存儲、分析以及狀態(tài)信息的傳輸通信、輸出、顯示等功能。選用的STM32系列單片機具有高性能、低成本、低功耗的特點。

以STM32F103為例，它具有的特點如下：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz，1.25 DMIPS/MHz；4個16位定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或者脈沖計數(shù)器；2個16位的6通道高級控制定時器，最多6個通道可用于PWM輸出；2個看門狗定時器（獨立看門狗和窗口看門狗）；2個IC接口（SMBus/PMBus）；5個USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）；3個SPI接口（18 Mb/s），兩個和IS復用；CAN接口（2.0 B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口；片上集成32-512 KB的FLASH存儲器、6-64 KB的SRAM存儲器。完全能夠滿足對系統(tǒng)的控制，較大程度上簡化了電路的設計。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊由土壤濕度傳感器組成。土壤濕度傳感器主要根據(jù)FDR頻域反射原理和電磁脈沖原理，利用電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤相對含水量。土壤濕度傳感器具有體積小巧化設計，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單；結(jié)構(gòu)設計合理，其不繡鋼探針能夠保證使用壽命；外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕；受土質(zhì)影響較小，應用地區(qū)廣泛；測量精度高，性能可靠，能夠確保正常工作；響應速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

2.3 機械運轉(zhuǎn)模塊

傳統(tǒng)滴灌方法是利用塑料管道將水通過直徑約10 mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉。主要由以下三部分組成：

（1）首部樞紐：包括水泵（動力機）過濾器、控制與測量儀表等。其作用是抽水、過濾，以一定的壓力將一定數(shù)量的水送入干管。

（2）管路：包括干管、支管、毛管以及必要的調(diào)節(jié)設備（如壓力表、閘閥、流量調(diào)節(jié)器等）。其作用是將加壓水均勻地輸送到滴頭。

（3）滴頭：其作用是使水流經(jīng)過微小的孔道，形成能量損失，減小其壓力，使它以點滴的方式滴入土壤中。滴頭通常放在土壤表面，亦可以淺埋保護。

機械運轉(zhuǎn)模塊的主要功能是利用單片機控制閥門自動開關，達到土壤濕度的穩(wěn)定。其他結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)相同。

3 程序設計

程序設計由數(shù)據(jù)采集控制程序和系統(tǒng)主要控制程序組成，如圖2所示。

圖2 程序設計流程

3.1 數(shù)據(jù)采集控制程序

STM32系統(tǒng)啟動之后，對各個傳感器進行自測，檢測各個傳感器是否正常。在此以土壤濕度調(diào)節(jié)為例，當此時濕度低于預設值時系統(tǒng)就執(zhí)行滴灌操作，同時設置一個標志變量為1。設置標志變量是為了較為直接地反映循環(huán)的狀態(tài)，在STM32單片機執(zhí)行完成相應操作后，只需要根據(jù)這些標志變量就可以確定是否完成任務，最后再將這些變量以一定時間為周期生成合理的運行日志發(fā)送給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而讓工作人員清楚系統(tǒng)運行是否正常。

3.2 系統(tǒng)主要控制程序

STM32智能滴灌系統(tǒng)的主要控制程序的主要任務在于對數(shù)據(jù)的接收、存儲、分析以及對滴灌系統(tǒng)中自動閥門的開關控制。系統(tǒng)啟動，開始接收各個傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并存儲數(shù)據(jù)，再與系統(tǒng)中預設的范圍值進行對比，然后對自動閥門發(fā)出指令進行滴灌。

4 結(jié) 語

在對水資源的節(jié)約和大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的大環(huán)境下，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率變得尤為重要。基于STM32單片機的智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)，便是以節(jié)約水資源為設計理念，將農(nóng)業(yè)灌溉中節(jié)水高效的滴灌法與集成化的STM32控制系統(tǒng)相融合。為智能化節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉提供一定的設計思路和技術(shù)基礎。