楊興旺 王樹偉 王雪 蘇勃赫 張文瑞

摘要：文章先分析了基于STM32單片機(jī)的家用智能立體種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，隨后介紹了智能立體種植系統(tǒng)相關(guān)硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)，希望能給相關(guān)人士提供有效參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);家用智能;立體種植系統(tǒng)

引言：

在城市人們生活質(zhì)量持續(xù)提升背景下，人們的家居環(huán)境也得到了明顯改善，對(duì)于日常果蔬品質(zhì)重視程度不斷提升，而隨著弄農(nóng)藥問題以及生態(tài)問題惡化，人們逐漸對(duì)市場(chǎng)銷售菜品喪失信心。而城市居住環(huán)境主要是以高樓建筑，缺少耕地，為此誕生了智能化種植系統(tǒng)，可以借助有限空間范圍實(shí)現(xiàn)立體化種植。

一、基于STM32單片機(jī)的家用智能立體種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，可以分為通信模塊、執(zhí)行框架、電機(jī)水泵控制模塊、傳感器以及STM32單片機(jī)等部分。系統(tǒng)中的主控芯片是STM32單片機(jī)，借助光敏以及濕度傳感裝置，對(duì)內(nèi)外土壤和光照因素實(shí)施準(zhǔn)確檢測(cè)，把最終檢測(cè)結(jié)果順利反饋至STM32單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)可以聯(lián)系最終檢測(cè)結(jié)果對(duì)比內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，對(duì)水泵、電機(jī)運(yùn)行實(shí)施合理控制，發(fā)揮出立體種植系統(tǒng)的每日自動(dòng)化灌溉。聯(lián)系光敏電阻信號(hào)波動(dòng)對(duì)裝置進(jìn)行自動(dòng)控制，把設(shè)備放置到陽光直射范圍下，擴(kuò)大植物光照率。自動(dòng)化補(bǔ)水則聯(lián)系土壤濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)水泵操作實(shí)施協(xié)調(diào)控制，確保種植土壤能夠始終維持良好種植濕度，為植物茁壯成長(zhǎng)提供有效水分。系統(tǒng)內(nèi)部通過增設(shè)限位保護(hù)電路，避免電機(jī)過度運(yùn)行產(chǎn)生損毀。通過設(shè)計(jì)信息顯示功能和不同功能鍵，在自動(dòng)跟蹤管理功能出現(xiàn)問題后，借助人工操控，調(diào)整設(shè)備位置。如果整個(gè)種植環(huán)境內(nèi)存在較高濕度，則可以通過人工措施調(diào)節(jié)濕度數(shù)值，利用平臺(tái)查看變化信息。

二、智能立體種植系統(tǒng)相關(guān)硬件電路設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)設(shè)計(jì)

因?yàn)閭鞲醒b置主要采集各種模擬信號(hào)，想要順利接收信息，需要率先轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)模數(shù)，為了完善硬件功能，縮減系統(tǒng)空間面積，可以選擇STM32單片機(jī)充當(dāng)主控芯片。智能化家用種植系統(tǒng)主要將STM32單片機(jī)當(dāng)成核心控制元件，可以有效處理各種運(yùn)行信號(hào)，發(fā)揮出協(xié)調(diào)處理功能。STM32單片機(jī)屬于一種強(qiáng)化型芯片，在實(shí)際應(yīng)用中，其具有高性能、低成本以及高集成度等性能。最小系統(tǒng)可以分為供電模塊、晶振系統(tǒng)以及芯片等部分組成。

（二）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

智能化家用種植系統(tǒng)選擇間歇運(yùn)行模式進(jìn)行逐日操作流程設(shè)計(jì)，具有較高的跟蹤精度，整體跟蹤速度相對(duì)較慢，所以選擇步進(jìn)電機(jī)作為基礎(chǔ)跟蹤模塊。其屬于雙電機(jī)運(yùn)行模式，通過四相電機(jī)和二相電機(jī)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)芯片充當(dāng)專門驅(qū)動(dòng)裝置。L298N驅(qū)動(dòng)裝置是一種內(nèi)涵兩種H橋大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以和單片機(jī)進(jìn)行直接連接，借助I/O口實(shí)施全面控制，系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)便、電路簡(jiǎn)單。ENB和ENA是控制端。IN1到IN4屬于控制輸入端，單片機(jī)接收控制電平會(huì)影響電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)部設(shè)置八個(gè)二極管可以發(fā)揮出箝位功能，目標(biāo)是保護(hù)L298N在電機(jī)進(jìn)行線圈運(yùn)行中不會(huì)受到兩側(cè)反電勢(shì)沖擊。

（三）數(shù)據(jù)采集電路

信息采集機(jī)構(gòu)中設(shè)置了濕度以及光敏信號(hào)采集傳感裝置，結(jié)合光敏傳感裝置應(yīng)用和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，可以選擇具有較高性價(jià)比以及操作簡(jiǎn)便的光敏電阻，其操作原理聯(lián)系不同光敏阻值波動(dòng)，可以操控設(shè)備追逐陽光，確保陽光可以一直垂直照射于光敏電阻內(nèi)。在陽光直接映射到對(duì)應(yīng)采集設(shè)備中，四種光敏電阻感受相同光強(qiáng)，對(duì)應(yīng)阻值不變，傳感裝置也不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。在陽光射偏后，東西、南北兩組光敏裝置對(duì)光強(qiáng)感受程度不同，對(duì)應(yīng)阻值信息產(chǎn)生明顯變化。電路可以對(duì)電壓波動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳輸至STM32單片機(jī)內(nèi)置信息轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，經(jīng)過算法轉(zhuǎn)化處理后，同步操控電機(jī)運(yùn)行，使電機(jī)可以保持直射，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)逐日目標(biāo)。聯(lián)系實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置濕度傳感器可以對(duì)種植土壤濕度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

三、智能立體種植系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為顯示、功能鍵、信息轉(zhuǎn)化、電機(jī)控制、智能充水以及固定流程、核心程序等部分組成。系統(tǒng)流程方面，在通電啟動(dòng)后，會(huì)率先實(shí)施自主檢查和初始化操作，結(jié)束后，掃描I/O口和傳感器連接部位，如果發(fā)現(xiàn)通信接口出現(xiàn)信號(hào)波動(dòng)，則實(shí)施判斷程序，通過單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)水泵電機(jī)實(shí)施協(xié)調(diào)控制。固定運(yùn)行流程方面，參考上側(cè)光敏傳感裝置，在光強(qiáng)超出限值后，開始啟動(dòng)光敏傳感裝置，準(zhǔn)確判斷各個(gè)層面光照強(qiáng)度，因?yàn)楣饷綦娮璨▌?dòng)所形成電壓變化會(huì)直接輸送到單片機(jī)內(nèi)，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)施合理操控，啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，光敏傳感裝置主要按照上下左右這一順序進(jìn)行檢測(cè)。在輸送電機(jī)控制信息中，脈沖寬度調(diào)節(jié)即合理操控脈沖寬度，借助微處理器傳輸控制信號(hào)，模擬電路實(shí)施控制，該種技術(shù)也是電機(jī)運(yùn)行的有效控制技術(shù)。而STM32單片機(jī)該種裝置可以自動(dòng)輸送PWM，內(nèi)部設(shè)置的高級(jí)定時(shí)器TIM8以及TIM1能夠同步形成7路PWM輸出，一般定時(shí)器裝置能夠形成四路輸出PWM。對(duì)應(yīng)PWM傳輸可以借助內(nèi)部芯片實(shí)現(xiàn)。

四、結(jié)語

綜上所述，在城市人數(shù)持續(xù)增加背景下，人們對(duì)于食用果蔬以及相關(guān)物價(jià)重視程度持續(xù)提升，而智能化家用農(nóng)具擁有較為廣泛的發(fā)展前景，通過合理設(shè)計(jì)智能化種植系統(tǒng)，可以發(fā)揮出自動(dòng)灌溉功能，占據(jù)空間面積較小，適用于城市家庭。

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作者簡(jiǎn)介：楊興旺（1996.4—），男，漢族，籍貫：河北省邢臺(tái)人，北華航天工業(yè)學(xué)院，20級(jí)在讀研究生，碩士學(xué)位，專業(yè)：電子信息，研究方向：電子與通信工程.