基于STM32的設施番茄智能滴灌系統設計*

江蘇農林職業技術學院 許燕萍 陳磊 朱輝 周東臣

在水資源匱乏的背景下,溫室蔬菜的種植中廣泛應用滴灌為主的節水灌溉技術。本文闡述了智能滴灌系統的原理,介紹了主要硬件模塊設計。

0 概述

在水資源匱乏的背景下,溫室蔬菜的種植中廣泛應用滴灌為主的節水灌溉技術,提高了水份利用效率,提高了溫室蔬菜的產量及品質。在番茄的苗期、開花坐果期和成熟采摘期合理的控制土壤水份,使光合產物向有利于產量的方向發展。設計一套基于STM32的設施番茄智能滴灌控制系統,能夠測量土壤的溫度、濕度、光照強度,遠程控制,避免了水資源的浪費,節省了人力資源投入[1]。

1 系統總體設計

1.1 功能需求分析

本系統需要考慮一下幾方面的內容:

(1)保證系統在長時間運行后依然能正常工作,且掉電數據不丟失。

(2)系統能準確采集傳感器信號、數據傳輸,上位機準確實時顯示下位機采集的數據。

(3)實時性要好,當傳感器檢測模塊檢測到外部環境缺水時系統能夠立即打開電磁閥門,對設施番茄進行滴灌。

1.2 系統總體方案設計

如圖1所示,為系統總體結構框圖。光照強度傳感器、土壤濕度傳感器和土壤溫度傳感器組成環境采集模塊,STM32對三個傳感器采集的數據進行處理,控制電磁閥開啟,同時將處理后的數據通過Zigbee模塊或者RS485模塊傳輸給上位機,用戶可以在上位機觀察下位機的數據,并能通過上位機控制滴灌系統的運行。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

2 系統硬件設計

2.1 STM32簡介

STM32是ST公司開發的32位的微控制器,是基于Cortex-M3內核的MCU。本系統選用的型號為STM32F 103VET6,最大工作頻率為72MHz,具有256KB～512KB的Flash存儲空間,有三種低功耗模式分別是睡眠、停止和待機。最多有112個快速I/O口,11個定時器,多達13個通信接口,2個12bit D-A轉換器和3個12bitA-D轉換器。

越來越多的電子產品使用STM32微控制器作為主控的解決方案,涵蓋智能硬件、智慧城市、智能家居、智慧工業、智能駕駛等領域[2]。

2.2 RS485模塊

RS-485是一種工業控制環境中常用的通訊協議,它具有抗干擾能力強、傳輸距離遠的特點。RS-485通訊協議由RS-232協議改進而來,協議層不變,只是改進了物理層,因而保留了串口通訊協議應用簡單的特點。RS-485通訊網絡的最大傳輸距離可達1200m,總線上可掛載128個通訊節點,而由于RS-485網絡只有一對差分信號線,它使用差分信號來表達邏輯,當AB兩線間的電壓差為-6V～-2V時表示邏輯1,當電壓差為+2V～+6V表示邏輯0,在同一時刻只能表達一個信號,它的通訊是半雙工形式的[3]。

如圖2所示為RS485模塊電路圖。電阻R2為終端匹配電阻,阻值為120歐姆。R1和R3為偏置電阻,確保在靜默狀態時RS-485總線維持邏輯1高電平狀態。RO和DI分別為數據接收與發送引腳,用于連接MCU的USART外設。RE和DE分別為接收使能和發送使能引腳,與MCU的GPIO引腳相連。A,B兩端用于連接RS-485總線上的其他設備。表1為功能引腳描述。

圖2 RS485模塊電路Fig.2 RS485 module circuit

表1 RS-485收發器芯片的引腳功能描述Tab.1 Pin function description of RS-485 transceiver chip

2.3 電磁閥模塊

如圖3為電磁閥驅動模塊電路。電磁閥是由STM32F 103VET6通過繼電器來間接控制。圖中817C為光電耦合器,1,2腳是控制端,內部是一個發光二極管,3,4腳是受控端,內部是一個光敏三極管。當輸入端加電信號時發光器發出光線,受光器接受光線之后就產生光電流,從輸出端流出,從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長、無觸點,抗干擾能力強,輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號等優點,在數字電路上獲得廣泛的應用。繼電器的COM端接系統電源,常開端NO接電磁閥的電源輸入。當STM32F103VET6輸出1高電平,COM端和NO端吸合,系統電源為電磁閥供電,實現滴灌功能,當STM32F103VET6輸出0低電平,COM端和NO端斷開,電磁閥得不到供電,實現停止滴灌。

圖3 電磁閥驅動模塊Fig.3 Solenoid valve drive module

2.4 傳感器采集模塊

土壤的溫濕度對于本滴灌系統是一個重要的參數,因為滴灌量和滴灌的時機都是根據土壤的溫濕度信息得來的。本系統采用的土壤溫濕度傳感器如圖4所示。可長期埋入土壤中,耐長期電解、耐腐蝕,傳感器防護等級IP68,可以將傳感器整個泡在水中。溫度測量范圍-40℃～80℃,精度±0.5℃,濕度測量范圍0%RH～100%RH,精度±3%。選定合適的測量地點,避開石塊,確保鋼針不會碰到堅硬的物體,按照所需測量深度拋開表層土,保持下面土壤原有的松緊程度,緊握傳感器垂直插入土壤,插入時不可左右晃動,鋼針必須全部插入土壤中,一個測點的小范圍內可多次測量求平均值。避免強烈陽光直射到傳感器上而導致溫度過高。

圖4 土壤溫濕度傳感器Fig.4 Soil temperature and humidity sensor

本系統中的光照強度傳感器采用的是ROHM的BH1750FVI數字光照傳感器模塊,光照強度范圍為:0-65535lx,傳感器內置16bit模數轉換器,直接數字輸出,可以省略復雜計算,內容包含通信電平轉換,與STM32連接,光照強度傳感器電路接口如圖5所示,其中P4是光照強度傳感器的接口端子,1腳和3.3V電源相連接,4腳和GND相連接,2腳是時鐘引腳,3腳是數據引腳,5腳是IIC設備地址引腳。

圖5 光照度傳感器電路接口Fig.5 Circuit interface of illuminance sensor

3 結語

以STM2為控制核心的智能滴灌系統,可以應用于設施番茄、草莓等種植,可以節約水資源,并能夠根據作物在不同時期的需水量進行滴灌促進作物生長,提高產量及果實品質。

引用

[1] 鄭志建.基于STM32的自動滴灌系統研發[D].海爾濱:黑龍江大學,2018.

[2] 張崇禮.基于STM32的遠程智能灌溉系統[D].秦皇島:燕山大學,2017.

[3] 劉浩.溫室番茄需水規律與優質高校灌溉指標研究[D].北京:中國農業科學院,2010.