陶曾杰，宋春雨，黃 攀，曹斌芳

(1.湖南信息學院電子信息學院，湖南 長沙 410151；2.湖南文理學院物理與電子信息學院，湖南 常德 415000)

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，農(nóng)作物澆水從人力澆水和田間引渠澆水發(fā)展到智能農(nóng)業(yè)澆水系統(tǒng)，重心轉移到了農(nóng)作物精量控制澆水及自動化控制系統(tǒng)的科學管理[1]。采用土渠輸水灌溉的傳統(tǒng)方式滲漏和蒸發(fā)嚴重，水資源浪費嚴重。節(jié)水澆水己經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中重點關注的問題之一。水資源的節(jié)約利用、合理分配是農(nóng)業(yè)繼續(xù)可持續(xù)健康發(fā)展的重要前提。目前我國的灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.53[2]。為此，筆者設計了一套智能澆水系統(tǒng)，它使人們擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗的澆水模式，緩解了農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象，它的推廣對于節(jié)省水資源、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、實現(xiàn)優(yōu)質高產(chǎn)都有意義[3]。

1 系統(tǒng)總體設計

智能澆水系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由主控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、電源模塊、HMI串口觸摸屏模塊、HC-06藍牙模塊和上位機組成。系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為核心，利用傳感器采集周圍環(huán)境的相關數(shù)據(jù)，根據(jù)當前環(huán)境下植物周圍環(huán)境溫度以及根系周圍土壤濕度和控制要求，對水泵、加熱設備和降溫設備等進行控制，使環(huán)境參數(shù)如溫度、土壤濕度處于設定值之間，達到對農(nóng)作物進行智能自動澆水的目的。此外，通過串口屏和智能手機APP對采集的數(shù)據(jù)進行顯示[4]，并實現(xiàn)人機交互界面的人工控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設計

2.1 微處理器模塊

選用STM32F103C8T6作為本系統(tǒng)的微處理器，它是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64 kB，工作電壓為2～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃，中等容量增強型，有7個定時器、2個ADC、9個通信接口、USB接口、CAN接口等，完全能夠滿足系統(tǒng)的控制要求[5-6]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

信息采集由NTC溫敏電阻和YL-69土壤濕度傳感器完成。數(shù)據(jù)采集模塊電路如圖2所示。負電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)的表達式為

式中：Rt、R0分別是溫度為T(K)和T0時的阻值；B為熱敏電阻的材料常數(shù)。溫度越高電阻值越低[7]。

YL-69土壤濕度傳感器的2個長引腳表面采用鍍鎳處理，避免接觸土壤容易生銹，以延長使用壽命。它有加寬的感應面積，可以提高導電性能[8]。將模擬量輸出A0與AD 模塊相連，通過AD轉換，送入單片機進行處理，以獲得土壤濕度。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路

2.3 HMI顯示模塊

HMI串口觸摸屏實時顯示系統(tǒng)檢測到的土壤濕度值、環(huán)境溫度值與設定的濕度上下限、環(huán)境溫度上下限。HMI使用字符串及C語言指令，數(shù)據(jù)結構精簡，可以顯示豐富的內容，圖文并茂地展示產(chǎn)品，人機交互界面友好，更人性化[9]。

2.4 通信模塊

藍牙與手機進行通信，將系統(tǒng)檢測到的土壤濕度值、環(huán)境溫度值與設定的濕度上下限、環(huán)境溫度上下限顯示在手機APP上。本設計選用HC-06模塊，其外置8 Mbit FLASH，內置2.4 GHz天線。用戶無須調試天線，外圍設計電路簡單，功耗低，有高性能無線收發(fā)系統(tǒng)，成本低[10]。它支持UART接口，只須外接就可以實現(xiàn)所需通信功能。HC-06模塊是一款高性能主從一體藍牙串口模塊，使用AT指令集，可進行修改名稱、密碼及設置波特率等操作。系統(tǒng)使用透傳模式，作為從機，被手機藍牙搜索到，配對成功后，實現(xiàn)系統(tǒng)與手機之間相互通信。手機指令通過藍牙傳輸?shù)紿C-06模塊，模塊再通過串口與STM32通信，以實現(xiàn)兩者之間的讀寫。一幀藍牙通信指令定義如表1所示，當設置或顯示硬件的年月日及時分秒時須額外加2個數(shù)據(jù)字。命令字功能定義如表2所示。表1中舉例的數(shù)據(jù)字為0X0011，轉化為十進制為17，即通過手機端設置系統(tǒng)環(huán)境溫度上限為17。

表1 通信指令定義

表2 命令字功能定義

2.5 輸出控制模塊

控制電路由驅動芯片、光電耦合器、繼電器等組成。通過5V繼電器控制外接采用220V交流電的水泵、加熱設備和降溫設備等運行，如圖3所示。

圖3 單個輸出控制電路

3 軟件設計

3.1 主程序

智能澆水系統(tǒng)軟件設計采用C語言編程，利用STM32庫開發(fā)方式，編程工具為keil 5，其主程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)可以在自動和手動2種模式下工作。用戶可以在觸摸屏或APP平臺進行工作模式的設置。系統(tǒng)上電后進行初始化，溫、濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集，當系統(tǒng)處于自動澆水模式，根據(jù)用戶預先設定的值進行閾值判斷，來控制水泵、加熱設備和降溫設備等運行；當系統(tǒng)處于手動澆水模式，用戶根據(jù)平臺顯示的農(nóng)作物的生長環(huán)境，設置澆水量、溫度值等，然后發(fā)出指令控制相應設備的運行。

圖4 主程序流程圖

3.2 監(jiān)控平臺設計

監(jiān)控平臺包括2部分：通過HMI觸摸屏進行監(jiān)控；通過手機APP進行監(jiān)控。

3.2.1 總體功能說明

1)HMI串口觸摸屏顯示溫度、濕度、自動澆水時間、手動澆水時間參數(shù)等，直觀明了。

2)可以設置溫度、濕度的上下限報警范圍，自動澆水時間，手動澆水時間，并具有掉電保存功能，參數(shù)保存在單片機內部，上電無須重新設置。

3)當濕度低于下限值時，打開澆水電機進行自動灌溉；當濕度高于上限值時，自動關閉澆水電機停止灌溉。

4)當溫度低于下限值，打開加溫設備進行加溫；當溫度高于上限值時，打開降溫設備進行降溫；當溫度在設定值內時，關閉加溫和降溫設備。

5)具有手動模式，可手動打開澆水電機。

6)集成RTC實時時鐘，精準顯示時間，并進行澆水電機的控制。

7)能使用手機APP進行遠程控制(設置溫度、濕度的上下限報警范圍，自動澆水時間，手動澆水時間)。

3.2.2 串口屏界面設計

HMI串口觸摸屏為核心的人機交互界面，這部分程序使用USART HMI軟件編制，主要實現(xiàn)澆水系統(tǒng)的人機交互。串口觸摸屏界面主要由3個界面組成：主界面、參數(shù)設置界面和待機界面。

主界面又分為2部分：顯示與控制。顯示主要顯示當前設備內置時鐘、當前環(huán)境溫度及溫度上下限、當前土壤濕度及土壤濕度上下限。控制主要提供進入設置參數(shù)界面、進入待機界面和手動澆水的接口。觸摸屏主界面如圖5所示。

圖5 觸摸屏控制界面

待機界面，顯示當前設備內置時鐘、當前環(huán)境溫度、當前土壤濕度和下次澆水時間。點擊屏幕就能提供喚醒處于休眠狀態(tài)的硬件設備。待機界面如圖6所示。

圖6 待機界面

參數(shù)設置界面，主要提供設置溫度上下限、土壤濕度上下限、自動澆水時間及間隔時間、手動澆水時間的接口。參數(shù)設置界面如圖7所示。

圖7 參數(shù)設置界面

這3個界面主要利用USART HMI軟件通過調用文本框、按鈕、觸摸熱區(qū)等控件完成設計。

3.2.3 APP界面設計

用戶通過手機APP可以實時了解種植場地的溫度和土壤濕度，并進行遠程手動澆水。界面設計與HMI串口觸摸屏相似，同樣由3部分組成：連接設備界面、參數(shù)顯示界面、參數(shù)設置界面。連接設備界面，主要實現(xiàn)通過藍牙連接硬件設備，連接成功后跳轉至參數(shù)顯示界面；參數(shù)顯示界面，主要顯示當前設備內置時鐘、當前環(huán)境溫度及溫度上下限、當前土壤濕度及土壤濕度上下限，以及提供進入?yún)?shù)設置界面、斷開硬件連接和手動澆水的控制接口，如圖8所示。參數(shù)設置界面，提供設置溫度上下限、土壤濕度上下限、自動澆水時間及間隔時間、手動澆水時間的接口。整個界面主要利用E4A軟件通過調用藍牙、文本框、按鈕等控件完成設計。

4 結束語

本文完成了智能澆水系統(tǒng)的硬件設計和軟件的開發(fā)，通過測試，HMI串口觸摸屏和手機APP能精確顯示溫度、濕度、自動澆水時間、手動澆水時間參數(shù)和控制水泵、加熱設備和降溫設備等運行。隨著信息技術的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對智能澆水系統(tǒng)的需求將會越來越多。智能澆水系統(tǒng)的發(fā)展研究趨勢將會是性能更加優(yōu)越，操作更加便捷，與用戶交互更加方便，同時價格更容易被接受[11]。

圖8 參數(shù)顯示界面