基于嵌入式的農田自動灌溉系統設計

楊淳清

(成都錦城學院，四川 成都 611731)

0 引言

農田灌溉是農業生產的重要環節，傳統模式下，主要依靠手工灌溉或半自動化灌溉管理，存在效率低下、灌溉水量難以精確度量等問題，不利于田間灌溉作業效能的提升。基于嵌入式技術、傳感器技術、物聯網技術和PLC技術設計一體化的農田自動灌溉系統，通過傳感器精確采集田間溫度、光照、濕度等數據，反饋給嵌入式STM32處理器綜合運算，將田間溫度、光照和濕度作為確定灌溉水量的綜合依據，建立起灌溉數據Web存儲平臺，再通過PLC對灌溉水泵電機進行精準控制，可實現無人值守自動化灌溉的目標。

1 系統設計需求與整體結構

1.1 設計需求

本系統設計包括控制需求和功能需求兩部分。首先，控制需求，通過引入嵌入式技術，實現對農田灌溉作業的全自動化控制，并能夠及時采集、存儲和反饋農田灌溉現場的環境數據，為用戶提供可查詢、編輯、修改的農田灌溉依據；其次，功能需求，設計農田灌溉現場環境數據采集功能、數據組網存儲功能、灌溉數據運算整理功能、灌溉電機自動控制功能等，通過嵌入式技術對各功能進行整合，圍繞農田自動灌溉需求進行控制，最終實現灌溉功能。其功能為：①農田現場數據采集反饋響應平均時間<2 s。②灌溉電機控制水泵出水量與預設量誤差<3%。③灌溉管理自動化作業響應準確度>90%。

1.2 整體結構

本系統整體結構分為3個模塊：①采集傳感模塊。由溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH-4000、光照傳感器FM-GZ和嵌入式微控制器STM32F407組成。實際工作時，傳感器實時采集田間的溫度、濕度和光照度數據，作為是否進行灌溉作業以及灌溉水量的依據，反饋給STM32微控制器處理。②網絡存儲控制模塊。由TLG09UA01 WIFI模塊、WEB服務器和移動終端組成。實際工作時，WIFI模塊實時接收STM32傳輸的田間灌溉數據，上傳至WEB服務器，用戶可使用移動終端登錄服務器查看，并進行灌溉參數設置，再反饋給STM32處理。③自動灌溉輸出模塊。由西門子S7-200型PLC、MM440變頻器和水泵電機組成。實際工作時，PLC與STM32通過RS485進行實時通信，根據田間灌溉的需求，基于USS通信協議自動控制變頻器輸出頻率，實現對水泵電機啟停及轉動頻率的調整，達到對農田精準灌溉的控制目的。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 Wi-Fi模塊設計

Wi-Fi模塊作用是連接STM32和Web服務器，實現系統網絡人機交互控制，搭建物聯網生態控制體系的橋梁。本項目選擇北京大中華電子設計有限公司研發的TLG09UA01模塊，該模塊自帶UART接口，具有連接便利、通信穩定、網絡輸入輸出特性優越等特點，能夠與STM32通過插針的方式便捷連接和通信。在具體的硬件連接上，STM32通過UART1接口與外部傳感器相連，通過UART2接口與TLG09UA01模塊進行如下設置：①將Wi-Fi模塊設置為全雙工模式，等待接收和發送STM32的數據。②登錄Web服務器界面，輸入Wi-Fi模塊的虛擬地址，并進行注冊、登錄、橋接等通信測試。③測試用戶移動終端是否能查看和編輯Web平臺上的灌溉數據，以驗證Wi-Fi模塊工作的有效性。

2.2 傳感器模塊設計

本系統選用由溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH-4000和光照傳感器FM-GZ，用于采集農田現場的溫度、濕度和光照度，作為田間自動灌溉作業的依據。①溫度傳感器設計。DS18B20為高精度可編程數字溫度傳感器，能夠高效地采集環境實時溫度，將其DQ引腳與STM32任意I/O端口連接，便可實時采集環境溫度，并與STM32進行數據通信。②濕度傳感器設計。HIH-4000是HONEYWELL公司研發的高精度數字濕度傳感器，精度達到+3.5%RH ，采用低功耗設計理念，具有較好的穩定性以及抗化學腐蝕等優質性能，將其輸出引腳與STM32任意I/O端口連接，便能采集農田濕度數據。③光照傳感器設計。FM-GZ為高精度數字光照型傳感器，可采集的光照強度范圍為0～200 Klux，通過RS485接口與STM32連接，采集農田間的實時光照強度。

2.3 硬件地址分配

本系統PLC與STM32之間通過RS485接口進行通信，PLC與變頻器之間通過USS協議進行通信連接，具體的硬件地址分配如表1所示，其中，I0.0和I0.1分別為正常啟動和停止變頻器的輸入控制端子，I0.5和I0.6分別為控制變頻器以50%和100%額定頻率啟動的輸入端子，后期通過程序編譯，可實現PLC控制變頻器以不同的頻率啟動，達到對水泵電機轉速的控制，最終對灌溉水流量進行精準控制。

表1 PLC硬件地址分配表

3 系統軟件設計

3.1 STM32數據采集傳輸

如圖2所示，系統啟動后，田間的溫度、濕度、光照傳感器開始實時采集數據，并傳輸給STM32模塊進行運算處理后，直接傳送至Wi-Fi模塊，由Wi-Fi模塊對數據進行提取、封裝、整理等處理，轉化為Web服務器可直接識別的數據類型后，發送到Web服務器端。Web服務器與Wi-Fi模塊之間采用全雙工通信模式，可對灌溉數據的發送和接收情況進行實時響應。此外，設計Web服務器與用戶移動終端之間的訪問交互子系統，用戶可運用智能手機、平板電腦等移動設備，隨時隨地訪問Web服務器，獲取田間灌溉情況的實時數據，并對灌溉參數進行調整。

圖2 STM32數據采集傳輸流程圖

3.2 PLC與灌溉變頻器USS通信設計

PLC與變頻器之間進行USS通信的程序如圖3所示，頻率設定地址為MD20，程序執行流程為：①PLC上電后，執行網絡1程序，設置波特率為9 600，變頻器站號為2#，PPRT0為USS協議執行端口。②變頻器接收到STM32數據后，根據控制要求執行灌溉作業：當I0.0被置1時，變頻器按照30%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.5被置1時，變頻器按照50%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.6被置1時，變頻器按照100%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.1被置1時，變頻器控制水泵電機停止灌溉，上述作業過程完全基于自動化控制場景完成。

圖3 PLC與變頻器之間的USS通信程序

4 結語

系統設計并裝配完成后，在田間進行灌溉試驗，結果顯示：用戶可在移動終端登錄服務器查看和設置灌溉數據，系統能夠根據用戶預設灌溉值進行全自動化灌溉作業，灌溉出水量、控制響應時間、數據傳輸通信效率等均達到預期效果，說明本系統具有一定的應用性和可靠性。隨著嵌入式技術不斷發展，相信會有越來越多的系統設計理念應用到農業生產中，對提高農業自動化生產水平以及構建高效農業生產物聯網體系起到積極作用。