蔡程飛 張彬 黃興平 帥小應(yīng) 宋欣璐

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種全天候自動監(jiān)測和自動控制澆水的智能灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以有效減輕小型農(nóng)田農(nóng)民在農(nóng)作物生長期間進(jìn)行人工巡檢和繁重澆水工作的勞動強(qiáng)度。通過使用STM32單片機(jī)，采用液位傳感器、土壤濕度傳感器等設(shè)備來收集環(huán)境參數(shù)，如環(huán)境濕度、環(huán)境溫度和土壤濕度等數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理來控制澆水設(shè)備的啟停，以達(dá)到最佳澆水效果。如果農(nóng)作物需要澆水，本系統(tǒng)將自動啟動灌溉設(shè)備并澆灌適量的水，然后對各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過Wi-Fi傳輸更新用戶平臺的數(shù)據(jù)。灌溉過程中，當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境處于理想狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會停止自動澆水，從而節(jié)省了農(nóng)作的時(shí)間和農(nóng)民的體力消耗。另外，基于小型農(nóng)田的土地分散、土地使用權(quán)轉(zhuǎn)讓頻繁的現(xiàn)實(shí)情況，本系統(tǒng)使用的設(shè)備具有可移動性較強(qiáng)、投資成本低、負(fù)擔(dān)小、后期維護(hù)費(fèi)用較少等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32；傳感器；灌溉器；Wi-Fi通信

中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0001-04

0 引言

傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)[1-2]通常存在水量過度使用、低效率等問題。這不僅浪費(fèi)水資源，還可能降低農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。土壤濕度過高會直接或間接影響農(nóng)作物的生長，例如導(dǎo)致土壤中的鹽分積累，進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長和發(fā)育。在嚴(yán)重情況下，這可能導(dǎo)致土地鹽堿化，完全無法種植。因此，發(fā)展智能灌溉系統(tǒng)，通過運(yùn)用傳感器、控制器、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)水分配和定向灌溉，可以最大限度地節(jié)約水資源，并提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，緩解水資源短缺等問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控單元，結(jié)合環(huán)境溫濕度傳感器模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)適合農(nóng)田的監(jiān)測控制灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)可在液晶顯示屏上顯示傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過Wi-Fi模塊上傳至云端，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，方便用戶實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由多個(gè)模塊構(gòu)成，包括主控模塊、濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、繼電器模塊、液晶顯示屏模塊、Wi-Fi模塊和供電模塊等。其中，主控模塊采用STM32單片機(jī)，用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。土壤濕度傳感器模塊YL-69 和環(huán)境溫濕度傳感器模塊DHT11分別用于檢測土壤和環(huán)境的濕度、溫度。繼電器模塊srd-05vdc-sl-c可控制灌溉模塊的工作狀態(tài)。液晶顯示屏模塊可以顯示環(huán)境濕度和溫度信息以及灌溉狀態(tài)等信息。Wi-Fi模塊可實(shí)現(xiàn)無線通信，連接手機(jī)終端可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控或控制。供電模塊則為整個(gè)系統(tǒng)提供電源支持。

2.1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

主控制器模塊采用STM32F1系列芯片，芯片的內(nèi)部采用ARM公司設(shè)計(jì)的32位Cortex-M3處理器，該處理器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 環(huán)境溫濕度檢測模塊設(shè)計(jì)

DHT11傳感器為數(shù)字型傳感器，無須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，DHT11 傳感器的信號引腳可直接與單片機(jī)的GPIO相連，數(shù)據(jù)信號用STM32 芯片的PB3 采集。由于DHT11傳感器輸出的數(shù)字信號非常微弱，需要采用一個(gè)上拉電阻連接到3.3 V 電源提高信號強(qiáng)度，將DHT11信號引腳通過一個(gè)約為4.7 KΩ的上拉電阻連接到3.3 V電源引腳上，再連接到STM32芯片PB3引腳上，實(shí)現(xiàn)DHT11傳感器采集電路的硬件連接。

2.3 土壤濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器模塊YL-69采用三線制接法，其中DO引腳為數(shù)字量輸出接口，AO引腳為模擬量輸出接口，電源VCC支持3.3～5 V電壓供電，GND引腳接地。模塊的DO引腳連接到STM32芯片的GPIO引腳，通過主控制模塊檢測DO引腳上的高低電平，來測算土壤濕度。硬件連接為：1）4腳為VCC，外接3.3 V電源；2）3 腳為GND，外接GND；3）2 腳為DO，外接STM32芯片的PB5引腳，采集傳感器的數(shù)字量（0或1），當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定閾值時(shí)，該接口會輸出高電平1，而當(dāng)土壤濕度高于設(shè)定閾值時(shí)則輸出低電平0。

2.4 Wi-Fi 模塊設(shè)計(jì)

Wi-Fi模塊與STM32芯片通過UART串口進(jìn)行通信。UART串口的通信原理為：Wi-Fi模塊的TX引腳連接到STM32芯片的RX引腳，而Wi-Fi模塊的RX引腳連接到STM32芯片的TX引腳，實(shí)現(xiàn)雙向通信。在軟件層面上，STM32芯片需要配置UART串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位等參數(shù)，以便與Wi-Fi模塊進(jìn)行通信。

3 終端應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 主流程設(shè)計(jì)

基于STM32設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化操作[3]。系統(tǒng)通過傳感器來收集環(huán)境濕度、溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)，并對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算分析。根據(jù)計(jì)算處理結(jié)果來控制灌溉設(shè)備的啟停，以達(dá)到最佳的澆水效果。如果植物需要澆水，系統(tǒng)將自動啟動灌溉設(shè)備，澆灌適量的水，同時(shí)對各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過互聯(lián)網(wǎng)更新用戶平臺數(shù)據(jù)。具體流程如圖3所示。

3.2 環(huán)境溫濕度采集流程

智能灌溉系統(tǒng)的溫濕度采集模塊的運(yùn)行流程包括初始化傳感器、讀取傳感器數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、根據(jù)數(shù)據(jù)判斷、控制執(zhí)行和程序循環(huán)等步驟。通過這些步驟，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的精確監(jiān)測。在程序運(yùn)行前需要初始化傳感器。在傳感器采集數(shù)據(jù)后，讀取傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值發(fā)送到顯示屏，同時(shí)對數(shù)值進(jìn)行判斷。超出預(yù)設(shè)值則需要進(jìn)行信號燈的提醒控制，在溫度下降后關(guān)閉信號燈，并且再次循環(huán)上述流程。環(huán)境溫濕度采集流程如圖4所示。

3.3 灌溉模塊流程

灌溉前，需要通過傳感器等設(shè)備獲取環(huán)境參數(shù)，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤濕度等。這些參數(shù)可以作為參考標(biāo)準(zhǔn)，幫助系統(tǒng)判斷是否需要進(jìn)行灌溉，以及灌溉量的大小。根據(jù)環(huán)境參數(shù)和預(yù)設(shè)的灌溉模式，系統(tǒng)會通過一定的算法判斷是否需要進(jìn)行灌溉。如果環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)的范圍，或土壤濕度低于設(shè)定的水分閾值，就會觸發(fā)灌溉程序。如果系統(tǒng)判斷需要進(jìn)行灌溉，控制器就會向繼電器發(fā)送控制信號，將水源中的水抽入灌溉系統(tǒng)中。當(dāng)水泵啟動后，水會通過管道輸送到不同的噴頭或滴灌帶上進(jìn)行灌溉。在灌溉過程中，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的灌溉模式、灌溉時(shí)間、水量等參數(shù)，進(jìn)行智能控制，確保灌溉的效率和水量的合理分配。在灌溉過程中，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)監(jiān)控灌溉的情況，包括土壤濕度、水位、灌溉時(shí)間等。一旦發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)會自動停止灌溉，并發(fā)出警報(bào)。當(dāng)灌溉時(shí)間到達(dá)預(yù)設(shè)的時(shí)間或水量達(dá)到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)后，系統(tǒng)會自動關(guān)閉水泵，結(jié)束灌溉。同時(shí)，灌溉模塊會將灌溉過程中的信息和數(shù)據(jù)記錄下來，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化。灌溉模塊運(yùn)行流程如圖5所示。

3.4 Wi-Fi 模塊流程

在程序開始運(yùn)行時(shí)，需要對ESP8266 進(jìn)行初始化[4]。通過AT指令或者編程的方式連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)置Wi-Fi名稱和密碼。連接成功后可以獲取IP 地址，設(shè)置串口波特率、連接Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置IP 地址等。指定服務(wù)器的IP地址和端口號，使用TCP 或者UDP協(xié)議連接到服務(wù)器。獲取發(fā)送給服務(wù)器的傳感器數(shù)據(jù)或者控制指令，以及服務(wù)器接收數(shù)據(jù)，包括灌溉時(shí)間、傳感器數(shù)據(jù)等，將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)送。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 程序運(yùn)行

程序使用hal庫以簡化搭建嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作。使用hal庫可以輕松地訪問設(shè)備的底層硬件接口，同時(shí)兼容各個(gè)操作系統(tǒng)和編譯器。這種模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可移植性。從上到下依次是按鍵、LED燈、顯示屏、延時(shí)函數(shù)、溫濕度傳感器的配置代碼。通過在主函數(shù)初始化完成后，循環(huán)調(diào)用按鍵、LED燈、顯示屏、延時(shí)函數(shù)、溫濕度傳感器，土壤濕度傳感器的配置代碼實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多任務(wù)處理。在STM32 芯片的代碼中使用GPIO控制傳感器。對用于連接傳感器的GPIO口進(jìn)行配置，設(shè)置為輸入模式，并使能其上拉電阻。然后，通過對傳感器的信號引腳上下拉鉗位，發(fā)送給傳感器啟動信號，之后讀取傳感器的響應(yīng)信號，并讀取傳感器數(shù)值。

首先，根據(jù)土壤濕度傳感器電位器設(shè)置的閾值，讀取PB15引腳的電平，判斷是否開啟灌溉，低電平時(shí)設(shè)置繼電器控制引腳為高電平，驅(qū)動繼電器吸合打開，反之設(shè)置繼電器關(guān)閉。在結(jié)構(gòu)體Water_GPIO_Init（）中初始化土壤濕度傳感器連接的PB5引腳。其次，初始化傳感器。使用DHT庫的read（）函數(shù)讀取傳感器數(shù)據(jù)。該函數(shù)返回一個(gè)狀態(tài)值，表示讀取是否成功。如果讀取成功，使用DHT庫的humidity和temperature 函數(shù)獲取濕度和溫度數(shù)據(jù)。獲取濕度和溫度數(shù)據(jù)后，可以對其進(jìn)行處理。將數(shù)據(jù)輸出到串口，或者將其存儲到變量中，用于后續(xù)的判斷和控制。根據(jù)讀取到的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。在程序的最后，需要進(jìn)行循環(huán)，不斷讀取傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷和控制。

4.2 配置入網(wǎng)

支持兩種模式配置入網(wǎng)：SoftAp和AirLink[5]。使用gizwitsSetMode（）接口可以設(shè)置入網(wǎng)方式，而當(dāng)前系統(tǒng)采用的是AirLink模式。在這種模式下，設(shè)備會持續(xù)接收特定編碼的Wi-Fi廣播包。當(dāng)用戶連接可用的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)后，使用機(jī)智云App發(fā)送編碼后的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)SSID和密碼信息。

4.3 運(yùn)行測試

土壤濕度傳感器測試：PWR_LED檢測已插好電源，DO_LED亮起表示濕度達(dá)到或大于閾值，如圖6 （a） 所示。反之則熄滅，如圖6（b）所示，調(diào)整電位器，可調(diào)整濕度預(yù)設(shè)值。

液位傳感器測試：浮球下降，如圖7（a）所示，水泵接收信號后自動關(guān)閉，如圖7（b）所示，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的作用。

4.4 整體測試

系統(tǒng)整體測試需要滿足以下幾個(gè)結(jié)果，如表1 所示。

4.5 設(shè)備運(yùn)行記錄

通信日志記錄設(shè)備主動上報(bào)的數(shù)據(jù)，每隔一段時(shí)間，設(shè)備會自動向服務(wù)器發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，比如環(huán)境溫濕度、指示燈與水泵的開關(guān)狀態(tài)。監(jiān)測設(shè)備[6]的正常運(yùn)行，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施。通信日志如圖8所示。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)過集成測試，智慧灌溉系統(tǒng)的硬件連接正確，各個(gè)模塊可以正常工作。程序在軟件開發(fā)環(huán)境下仿真正確，程序燒錄后各傳感器，環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、液位傳感器可以正常采集環(huán)境參數(shù)并上傳，手機(jī)端可以正確連接網(wǎng)絡(luò)且可以使用，PC端可以查看運(yùn)行日志，繼電器、水泵等元器件也可以及時(shí)響應(yīng)。本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能經(jīng)過測試均能正常工作。本系統(tǒng)依據(jù)小型農(nóng)田現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了利用現(xiàn)代技術(shù)、傳感器和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的自動化水域澆灌管理系統(tǒng)。其主要目的是實(shí)現(xiàn)自動智能化的水域澆灌，避免人工操作過程中出現(xiàn)的疏漏和浪費(fèi)，提高農(nóng)作物的成活率、增加產(chǎn)量、節(jié)約水源的用量以及降低軟硬件和人工的管理成本、提高效率。

參考文獻(xiàn)：

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[6] 曲頌，劉玉敏，宋博，等.自動灌溉控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報(bào)，2021，12（4）：72-77.

【通聯(lián)編輯：梁書】