基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)設計

韓偉超 黃連帥 潘南紅

摘要 為實現(xiàn)溫室大棚中的智能澆灌，設計一套以STM32為核心的智能滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有土壤檢測、水流控制和聲光報警功能。系統(tǒng)采用濕度傳感器檢測土壤濕度，用步進電機控制水流開關，若發(fā)生情況用蜂鳴器和發(fā)光二級管（LED燈）進行聲光報警。

關鍵詞 智能大棚；滴灌系統(tǒng)；STM32；步進電動機

中圖分類號 S274.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0167-02

Abstract In order to realize intelligent irrigation in greenhouse， a smart drip irrigation system based on STM32 is developed. The system can perform soil detection， water flow control and sound and light alarm. The humidity sensor is used to measure soil moisture， and water flow switch is controlled by stepping motor. In the abnormal case， the alarming of buzzer and LED will start.

Key words Intelligent greenhouse；Drip irrigation system；STM32；Stepping motor

近年來，隨著智能控制的發(fā)展，高效農業(yè)的不斷增加，越來越多的人開始研究如何將智能控制應用到農業(yè)上，智慧農業(yè)大棚也隨之而生[1-4]。農業(yè)大棚結構中，澆灌系統(tǒng)是必不可少的一部分，而在干旱季節(jié)，水資源缺乏的地區(qū)，大面積的灌溉要求就無法得到保證。滴灌系統(tǒng)不僅能夠節(jié)約水源，還能夠有效地利用水資源[5-6]。目前，大多滴灌系統(tǒng)還處于人工管理的層面，使得在控制和管理上需要花費較大的開銷。為了減少勞動力的消耗和降低勞動成本，智能控制已經成為必然的趨勢。

筆者設計的基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)可以代替人工監(jiān)控。系統(tǒng)采用溫濕度傳感器進行土壤濕度的測量，利用步進電動機及配套傳送裝置控制液滴。若發(fā)生異常，蜂鳴器和發(fā)光二級管（LED燈）會進行聲光報警。該系統(tǒng)不僅可以讓土壤保持應有的水分，還可提高水的利用率，并且降低了工作人員的勞動強度，實行智能化管理。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)的結構組成如圖1所示。主要包括濕度傳感器模塊、按鍵模塊、報警模塊和步進電動機及其驅動電路所控制的滴灌裝置。該系統(tǒng)采用性能高、功耗低的32位微處理器STM32F103芯片作為核心。

1.2 工作原理

系統(tǒng)的主要工作原理：初始狀態(tài)時，步進電動機控制滴灌裝置的開關關閉，此時無水滴流出。管理人員可以根據土地的濕度設置相應的值，當濕度傳感器檢測到土壤的濕度小于設定值時，步進電動機通過齒輪組轉動傳送桿，傳送桿控制螺母松開對水管的擠壓，越來越多的水通過擠壓處流出，實現(xiàn)對作物進行澆水。當水流通過擠壓處流到土壤中后，土壤中的濕度傳感器會實時監(jiān)測到土壤濕度。如果濕度達到管理人員設定的值，步進電動機進行逆向轉動，使螺母擠壓輸水管將水停止。當整個澆灌系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如打開開關放水后，較長時間土壤濕度沒有變化，此時芯片將驅動聲光裝置進行報警。

2 系統(tǒng)硬件設計

由圖1可知，系統(tǒng)包含了濕度監(jiān)測、滴灌控制、報警等部分，該研究重點介紹系統(tǒng)的核心部位：濕度土壤監(jiān)測和滴灌控制。

2.1 土壤濕度檢測

濕度監(jiān)測是系統(tǒng)的核心，該設計利用濕度傳感器模塊進行土壤的濕度監(jiān)測。該模塊有3線制和4線制，該設計采用3線制進行設計，減少開發(fā)成本。3線制使用中VCC外接高電平3.3～5.0 V，GND外接GND，D0直接與STM32相連，STM32通過D0來監(jiān)測高低電平，從而監(jiān)測濕度。內部電路如圖2所示，該模塊采用工作穩(wěn)定的LM393作為比較器，確保了穩(wěn)定的輸出。調節(jié)VR1電阻可以改變所要監(jiān)測的閾值，當濕度低于設定值時，D0輸出高，相反則輸出低。

2.2 滴灌控制

滴灌裝置可采用醫(yī)用輸液器進行改裝，輸液控制螺母連接轉動桿，轉動桿末端焊接齒輪與步進電動機的齒輪組合成齒輪組。當步進電動機轉動時帶動轉動桿，轉動桿驅動螺母，實現(xiàn)對輸液滴管的擠壓，達到開關的效果。

由于STM32帶負載能力有限，不能直接驅動步進電動機，所以在步進電動機與芯片之間采用L293D驅動芯片實現(xiàn)STM32對步進電動機的控制。它是一款雙橋驅動芯片，可同時驅動兩路直流電機或一路步進電機，最大輸出電流為600 mA，最大峰值輸出電流1.2 A，內部自帶靜電釋放（ESD）保護。

3 系統(tǒng)軟件設計

由前述可知，濕度傳感器將濕度轉換成高低信號，當濕度低于設定值時，D0輸出高電平，高于設定值時，輸出低電平。STM32利用判斷I/O口高低電平的方式來監(jiān)測D0的高低電平。系統(tǒng)流程圖如3圖所示。

系統(tǒng)開始時，首先進行初始化。初始化完成后，STM32監(jiān)測D0是否輸出高電平，如果是低電平，繼續(xù)監(jiān)測。當D0是高電平時，驅動步進電動機正轉，打開滴灌水管放水。待正轉完成，打開水管后，STM32繼續(xù)監(jiān)測D0口電平。當D0口由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，控制器驅動電機進行反轉，將滴灌管關閉。如果經過了很長時間（此時間可以根據實際情況設置），D0的電平未變高電平，此時系統(tǒng)出現(xiàn)異常，啟動報警電路進行報警。

當電動機反轉閉合滴灌水管開關后，微處理器又進入監(jiān)測D0電平是否由低變高的程序中，以此來循環(huán)判斷濕度是否低于設定值，實現(xiàn)循環(huán)供水的智能化監(jiān)控。

4 結語

該研究分析了基于STM32的智能滴灌系統(tǒng)工作原理和實施細節(jié)，該系統(tǒng)能夠精確地測量土壤的濕度，并驅動步進電動機進行滴灌開關，實現(xiàn)了智慧大棚中作物澆灌的智能化管理，有效避免了水源的浪費，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張成年.基于物聯(lián)網的智慧農業(yè)大棚系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].新疆農墾科技，2016，39（1）：55-57.

[2] 張新，陳蘭生，趙俊.基于物聯(lián)網技術的智慧農業(yè)大棚設計與應用[J].中國農機化學報，2015，36（5）：90-95.

[3] 蔣益峰.基于物聯(lián)網探討智慧農業(yè)大棚系統(tǒng)的設計[J].農民致富之友，2016（8）：82，77.

[4] 白炳書，顏志剛，吳洪峰.太陽能驅動的物聯(lián)網智能系統(tǒng)在噴滴灌工程中的應用[J].浙江水利水電學院學報，2015，27（4）：42-44.

[5] 趙強.草莓大棚光照及溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].保定：河北大學，2016：1-61.

[6] 田野，徐保強，于欣欣.溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控及自動灌溉系統(tǒng)的設計[J].機械工程與自動化，2015（3）：149-151.