基于STM32的實用型家庭智能灌溉系統

鄭楊煜，劉 星

（上海工程技術大學，上海 201600）

0 引 言

隨著社會經濟的迅速發展，人們的生活水平日益提高，精神文明需求逐漸增大，越來越多的人傾向于在家中種植觀賞性植物，但有時因工作需要長期在外，無法做到及時關注植物的水分需求。隨著科學技術的迅速發展，通過搭建智能灌溉控制系統來滿足家庭種植過程中植物在不同環境下的灌溉需求已成為可能[1-4]。因此，結合實際需求，本課題設計了一套低成本的溫濕度自動控制系統，可以實現簡易的家庭自動化灌溉。

1 系統方案設計

本設計以STM32單片機為主控芯片，由風扇控制電路、溫濕度傳感器電路、LCD1602液晶顯示電路、藍牙模塊電路和電源電路組成。

（1）單片機芯片的擇定

采用意法半導體公司（ST）的STM32F103C8T6單片機作為主控制器，它具有ARM最新架構的Cortex-M3內核，擁有極低功耗的同時也有優秀的性能，易于開發[5-6]。

（2）無線遙控模塊的選擇

采用藍牙模塊進行本系統數據的無線傳輸。相比于其他無線傳輸模塊，藍牙模塊具有成本低、功耗小、傳輸速率快、可靠性強和兼容性強等特點；且藍牙技術已在智能手機中得到廣泛使用，使得基于藍牙技術的智能家居系統應用也會十分便捷，容易被大眾接受。

（3）顯示方案的選擇

采用LED液晶顯示屏，其功能豐富，可顯示大量文字圖形，并且相對美觀，十分適合數據展示。在本系統中可選用LCD1602液晶顯示屏，其內置192種字符，編寫程序較為簡單，并且功率小、使用壽命長。

2 硬件電路設計

2.1 系統主體結構設計

本系統的原理結構如圖1所示。

圖1 系統原理結構

本設計由STM32單片機、風扇控制電路、灌溉控制電路、溫濕度傳感器電路、LCD1602液晶顯示電路、藍牙模塊電路和電源電路組成。通過溫濕度傳感器自動監測土壤的濕度與周圍環境的溫度，當溫度超過所設置的閾值，系統會發出報警信息，并觸發風扇啟動；當濕度低于所設置的閾值，系統發出報警信息，并觸發灌溉系統。系統對傳感器采集的數據進行運算，并將結果推送至液晶屏和APP上顯示。最后通過APP控制風扇和灌溉系統的開關狀態。

2.2 模塊電路設計

2.2.1 基于STM32單片機的電路設計

本設計所選用的控制芯片是STM32系列處理器，該款芯片能在實現本設計功能的前提下提供更豐富的接口，以便于設計實驗系統中各實驗項目所需的外圍擴展電路[7-8]。此芯片在完成單片機課程的學習后上手較為容易，具有很好的學習和實驗研究價值。STM32單片機實物如圖2所示。

圖2 STM32單片機核心板實物

2.2.2 基于LCD1602液晶顯示模塊的電路設計

LCD顯示器一般分為兩種：字段顯示和字符顯示。字段顯示只要將對應的信號送到相應的管腳就能顯示相應的內容；字符顯示根據需要顯示基本字符。

本設計采用字符顯示的LCD1602液晶顯示器顯示輸出信息，可使用電位器調節液晶顯示屏的對比度，其具體電路原理如圖3所示。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊體積小、功耗低、顯示內容豐富，不需要外加驅動電路；并且LCD1602可以顯示2行16個漢字，基本滿足本系統的字符顯示需求。

圖3 LCD1602液晶顯示電路原理

2.2.3 5 V散熱風扇控制電路（高電平有效）設計

系統中使用三極管9012對散熱風扇進行控制，電路中加入電阻，目的是限流并保護三極管。當單片機所定義的引腳為高電平時，三極管導通，風扇正常工作；為低電平時，風扇不轉動。

2.2.4 JDY-30藍牙模塊電路設計

藍牙模塊是指集成藍牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網絡通信。本藍牙模塊就是為了無線數據傳輸而專門設計的，支持串行接口，支持SP藍牙串口協議，具有成本低、體積小、收發靈敏性高等特點，只需配備少許的外圍元件就能實現較多功能。藍牙模塊實物如圖4所示。

圖4 藍牙模塊實物

2.2.5 DHT11溫濕度傳感器模塊電路設計

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，集成了成熟的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，有很高的可靠性和穩定性，同時其抗干擾能力強、響應速度快，使用起來十分便捷[9-12]。DHT11傳感器模塊內部電路如圖5所示。模塊實物如圖6所示。

圖5 DHT11溫濕度傳感器模塊內部電路

圖6 DHT11溫濕度傳感器實物

3 系統軟件設計

本設計采用易讀性和移植性高的C語言編寫程序，使用Keil μVision5 by ARM軟件進行代碼的編譯與調試，這款IDE被廣泛地用于代碼的編寫和測試；程序的燒錄使用的是ST-LINK下載器。程序運行流程如圖7所示。

圖7 程序運行流程

4 結 語

本文針對人們在家庭植物培育過程中的灌溉需求進行深入研究，以STM32F103C8T6嵌入式單片機為主控芯片，設計了實用型家庭智能灌溉系統，以滿足不同植物在不同環境條件下的水分需求，同時使用智能設備實現了對植物生長環境的實時監視和人工控制。設計過程中采用了溫濕度傳感器、藍牙模塊等電子元件，并根據實際需求進行軟硬件設計，最終成功實現了家庭灌溉系統的智能控制。同時，在本設計的基礎上，可通過增加其他電子元器件，增改寫控制程序，快速便捷地實現更多拓展功能，以滿足本設計原始功能范圍之外的其他個性化需求，可廣泛應用于家庭、公園、農田等各種場景，根據不同植物特性進行精細化栽培，提高植物生長質量和灌溉效率、節約資源。