基于物聯網技術的校園綠植灌溉系統設計

劉瑞楠，鄭來芳，郝鵬翔

（太原工業學院電子工程系，山西太原，030008）

0 引言

隨著經濟、生活水平的提高，校園環境的建設也成為各個學校的校園建設重點。而各個學校的綠植覆蓋率也在逐漸增加，所以綠植的灌溉問題也日益凸顯[1-3]。傳統的綠植灌溉方式為人工灌溉或者以半自動的灌溉方式為主，而這樣的灌溉方式極大的浪費了水資源及人力資源。對于現階段對水資源的利用率，還有比較高的進步空間，利用物聯網技術結合綠植灌溉的實際情況可非常好的解決傳統灌溉所遇到的問題[4-8]。本論文的綠植灌溉系統設計運用了傳感器技術、單片機技術、物聯網WIFI 技術以及其他技術來實現全自動智能綠植灌溉，同時也可以通過移動端手機APP 來實時監測、控制綠植灌溉系統[9-11]。

1 校園綠植灌溉系統總體設計概述

本文設計的校園綠植灌溉系統的設計框圖如圖1 所示。各區域DS18B20 溫度傳感器與各區域YL-69 土壤濕度傳感器采集相應區域的溫、濕度數據并將其發送到STM32F407單片機中，單片機通過該區域植物生長數據通過PID 算法計算出該區域當前所需灌溉的水量及適宜的灌溉速度，并通過水泵驅動器控制水泵的抽取水量及抽水速度，同時控制電磁閥驅動器打開需灌溉區域的電磁閥。之后將當前的傳感器數據、水泵及電磁閥的運行狀態通過ESP8266 物聯網WIFI 模塊發送到移動端手機APP。該設計作品可通過手機APP 發出灌溉指令，也可依托互聯網實時更新數據發出相應指令。

圖1 校園綠植灌溉系統的設計框圖

2 校園綠植灌溉系統硬件設計

■2.1 感知層傳感器模塊設計

2.1.1 YL-69 土壤濕度傳感器設計

YL-69 土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構成，可以長期埋設于土壤或堤壩內使用，對表層和深層土壤水分進行定點監測和實時測量，與數據采集器配合使用。圖2為YL-69 土壤濕度傳感器的應用原理圖。

圖2 YL-69 土壤濕度傳感器電路圖

2.1.2 DS18B20 溫度傳感器設計

DS18B20 溫度傳感器是美國DALLAS 半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻等其他測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求編程讀取溫度數據，可編程的分辨率為9～12 位。圖3 為DS18B20 溫度傳感器的應用原理圖。

圖3 DS18B20 溫度傳感器電路圖

數據信息存儲在DS18B20 的兩個8 比特的RAM 中，二進制中的前面5 位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5 位為0，只要將測到的數值乘于0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5 位為1，測到的數值需要取反加1 再乘于0.0625 即可得到實際溫度。

例如：DS18B20 溫度傳感器數字輸出為1B8H，即：

實際溫度=1B8H＊0.0625=440＊0.0625=27.5℃

■2.2 傳輸層ESP8266 物聯網WIFI 模塊設計

ESP8266 不僅可以發送數據到服務器端，還可以接受服務器發過來的信息。同時，ESP8266還有三種工作方式以配合不同的應用環境。STA 模式：ESP8266 WiFi 模塊通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。AP 模式：ESP8266 WiFi 模塊模塊作為熱點，實現手機或電腦直接與模塊通信，實現局域網無線控制。STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，即可以通過互聯網控制可實現無縫切換，方便操作。

本設計選用STA 模式，并應用模塊的UART 串口功能以實現移動端與應用端的數據透傳、遠程控制。

■2.3 STM32 主控模塊設計

STM32F407 是由ST(意法半導體)開發的一種高性能微控制器。其采用了90 納米的NVM 工藝和ART(自適應實時存儲器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator)。并且集成了新的DSP 和FPU 指令，168MHz的高速性能使得數字信號控制器應用和快速的產品開發達到了新的水平，提升控制算法的執行速度和代碼效率。

圖4 ESP8266 物聯網WIFI 模塊電路圖

本設計根據STM32F407 的開發手冊繪制主控原理圖，選用25MHz 晶振，增加復位、啟動電路，使實際應用更加靈活。圖5 為MCU 部分原理圖。

圖5 STM32F407 主控模塊電路圖

■2.4 應用層水泵、電磁閥設計

關于水泵及電磁閥的應用結構如圖6 所示。

圖6 水泵、電磁閥模塊結構圖

水泵驅動器控制水泵從水源地取水，將水通過運輸管道運至各灌溉區域，電磁閥驅動器負責控制當前區域電磁閥是否開啟對該區域綠植進行灌溉。這樣設計可對不同區域進行同時灌溉控制。

3 校園綠植灌溉系統軟件設計

■3.1 STM32 程序邏輯設計

圖7 為STM32 單片機程序的邏輯框圖。

圖7 程序邏輯圖

■3.2 移動端手機APP

為了方便實時監測系統運行及綠植生長環境，設計簡易的移動端手機APP，同時還可以人為的對應用層設備進行直接控制，圖8 為APP 界面。

圖8 APP 界面截圖

4 校園綠植灌溉系統測試

■4.1 傳感器實際應用測試

4.1.1 YL-69 土壤濕度傳感器測試

對土壤濕度傳感器特性進行測試時通過ADC 輸出電壓值，根據電壓值輸出情況對傳感器的特性進行分析。將土壤濕度傳感器傳回的數據通過串口中斷服務程序將其測試結果傳送在上位機上，經過反復的測試，測試結果為濕度數據會隨著電壓值的增大而減小，在實際環境中傳感器傳回的濕度值總體變化波動不大，電壓值、濕度數據基本穩定。并且5V 時在極限環境中，傳感器在空氣中AO 讀取的值最大為1022，浸泡在水里的最小值245。傳感器返回值都正常，也說明土壤濕度傳感器通過測試。

4.1.2 DS18B20 溫度傳感器測試

DS18B20 啟動后將進入低功耗等待狀態，當需要執行溫度測量和AD 轉換時，單片機發出指令［44H］完成溫度測量和AD 轉換，DS18B20 將產生的溫度數據以兩個字節的形式存儲到高速暫存器的溫度寄存器中，然后將數據返回到單片機中。實際測試中通過傳感器傳輸數據及計算公式得出當前環境實際溫度=1B8H＊0.0625=440＊0.0625=27.5℃。

通過與產品級溫度計對比，發現誤差在+0.2℃內，驗證了DS18B20 溫度傳感器工作正常。

■4.2 WIFI 模塊通信測試

將ESP8266 WiFi模塊選擇為STA模式，ESP8266 WiFi 模塊通過實驗數路由器連接互聯網，并且與手機成功連接，在手機APP 中可以實時顯示當前環境實數據，并且可以通過手機APP 向STM32 單片機發送指令并控制水泵及電磁閥。WIFI 模塊通信測試通過。

■4.3 系統自動灌溉測試

在實驗數環境中模擬灌溉系統進行實驗測試，將濕度閾值設置為66%，溫度閾值設置為27℃，低于閾值時，單片機自動控制水泵及電磁閥進行抽水灌溉，當環境達到閾值時停止灌溉。在實際測試中，灌溉系統穩定，并且可以針對不同區域實現自動智能灌溉，系統實物如圖9 所示。

圖9 系統實物圖

5 總結

本設計基于物聯網技術、傳感器技術以及單片機技術，以STM32F407 芯片為核心設計校園綠植智能灌溉系統，通過在系統中應用土壤溫濕度傳感器、溫濕度傳感器、水泵驅動、電磁閥驅動及 WIFI 模塊等實現系統硬件功能;在Keil環境下開發完成各軟件功能模塊的設計以及配置。并通過串口上位機測試，系統運行穩定，可根據不同區域、不同綠植設置不同的閾值自動啟動綠植灌溉功能，同時還可以用移動端實時監測系統運行情況及綠植生長環境情況。經實驗測試，該系統各部分運行正常，可以完全實現系統設計的功能，并且運行穩定，有效提高了對水資源及人力資源的利用率。