基于STM32的大棚智能噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熊昌炯，馬 豪，劉建軍

(三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004)

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)中的大棚種植技術(shù)得到了較為普遍的推廣[1-3]。然而，現(xiàn)有的大棚種植設(shè)備簡(jiǎn)陋，如噴灑農(nóng)藥與澆灌作業(yè)，基本依靠人工完成，這直接導(dǎo)致了水資源與農(nóng)藥的浪費(fèi)、效率低下[4-5]，而且隨著人工費(fèi)用的增加，大棚智能噴灌系統(tǒng)的研究具有一定的迫切性。

因此，本文為實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚作物精確、穩(wěn)定的噴灑與澆灌，提出設(shè)計(jì)一款智能噴灌系統(tǒng)；以STM32為核心控制器[6-7]，利用傳感器DHT11采集大棚環(huán)境的溫度與濕度，采集到的數(shù)據(jù)信息以NRF2401無(wú)線發(fā)送至核心控制器[8-9]；然后根據(jù)設(shè)置的溫度、濕度臨界值，自動(dòng)對(duì)大棚作物進(jìn)行噴灌。

1 大棚智能噴灌系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的大棚智能噴灌系統(tǒng)主要由溫度采集裝置、管道噴灑裝置與核心控制裝置構(gòu)成，如圖1所示。首先根據(jù)大棚實(shí)際環(huán)境，在各個(gè)壟布置所需的PU管道與噴頭，同時(shí)在各壟的農(nóng)作物布置溫濕度采集模塊(DHT11傳感器與NRF2401無(wú)線收發(fā)裝置)，主控制箱上的通過(guò)電磁閥控制各路管道的出水情況。當(dāng)大棚環(huán)境溫濕度低于用戶設(shè)置的臨界值時(shí)，STM32核心控制器交流電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制繼電器模塊打開對(duì)應(yīng)的電磁閥[10-11]，實(shí)現(xiàn)對(duì)該壟農(nóng)作物的噴灌。

圖1 智能噴灌系統(tǒng)原理框圖

2 大棚智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心處理器采用STM32F103ZET6，其具有FLASH和EEPROM使得其可多次擦寫程序，方便開發(fā)者操作；可以輸出能直接驅(qū)動(dòng)繼電器的電流，運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，使其得到廣泛的應(yīng)用。其最小系統(tǒng)電路圖如圖1所示。

圖2 STM32F103ZET6最小系統(tǒng)

2.2 NRF2401無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

為了避免布線的繁瑣，采用NRF2401傳送DHT11采集的溫濕度信息。NRF2401工作頻率可達(dá)2.4GHz，內(nèi)置功率放大器、調(diào)制器等，具有低功耗、傳輸速度快、出錯(cuò)概率低等特點(diǎn)，其電路圖如圖3所示。

圖3 NRF2401電路設(shè)計(jì)

2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

為了使得控制系統(tǒng)具有更加友善的用戶界面，采用可觸摸液晶屏，在其上面顯示溫濕度數(shù)據(jù)信息、系統(tǒng)已工作時(shí)間、打開/閉合的管道路數(shù)等?？赏ㄟ^(guò)手指觸摸直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具有簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)，其電路圖如圖4所示。

圖4 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

2.4 控制系統(tǒng)主控板與控制柜設(shè)計(jì)

以STM32F103ZET6為主控芯片，外加繼電器控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，完成電路原理圖繪制之后，制作成PCB電路圖與控制柜外觀如圖5所示。

圖5 主控板與控制柜

首先，用戶可根據(jù)大棚及農(nóng)作物的特點(diǎn)，布置好所需的噴灌裝置；然后通過(guò)控制柜左側(cè)的電磁閥出口端連接布置在各個(gè)壟上的管道；最后，接通電源，設(shè)置好溫濕度的臨界值，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)便能處于監(jiān)控狀態(tài)。此時(shí)系統(tǒng)處于監(jiān)控狀態(tài)，核心控制器一直在接收溫濕度傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，當(dāng)溫濕度高于臨界值時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，并打開相對(duì)應(yīng)的電磁閥，執(zhí)行噴灌作業(yè)。

3 大棚智能噴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序下載至STM32F103ZET6為核心的主控板中，其主要包括系統(tǒng)初始化程序、NRF2401接收數(shù)據(jù)程序、液晶屏顯示程序、監(jiān)控程序等。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接收NRF2401發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后設(shè)置溫濕度的臨界值、再啟動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控程序，判斷溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)是否高于臨界值，并作出相應(yīng)的控制，具體如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 溫濕度中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于NRF2401數(shù)據(jù)收發(fā)程序流程，如圖7所示。對(duì)于發(fā)送端模塊，將采集大棚環(huán)境溫濕度信息轉(zhuǎn)換成與主機(jī)約定好的協(xié)議數(shù)據(jù)，發(fā)送至主機(jī)，然后等待主機(jī)響應(yīng)；當(dāng)主機(jī)收到數(shù)據(jù)之后，會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷，如數(shù)據(jù)正確將會(huì)發(fā)送“01”至發(fā)送端，否則將發(fā)送“00”至發(fā)送端。發(fā)送端通過(guò)判斷主機(jī)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一步操作，如主機(jī)成功接收數(shù)據(jù)則將發(fā)送下一組采集數(shù)據(jù)，否則將重新發(fā)送。

圖7 溫度控制流程圖

4 系統(tǒng)性能測(cè)試與應(yīng)用

在完成大棚智能噴灌系統(tǒng)制作之后，對(duì)噴灌系統(tǒng)溫濕度的控制情況進(jìn)行了測(cè)試分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：實(shí)驗(yàn)環(huán)境福建省三明市清流縣的某花卉大棚(如圖8)、溫度設(shè)置22度、濕度設(shè)置85%RH、測(cè)試時(shí)間為10：00-16:00，每間隔15分鐘采集一次傳感器信息進(jìn)行控制，表1為某天測(cè)試結(jié)果情況。

圖8 實(shí)際噴灌效果圖

采樣時(shí)間溫度值(°C)濕度值(%RH)10:0021.179.211:0023.488.912:0021.989.613:0022.180.514:0021.089.215:0022.586.916:0022.891.7

分析表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，大棚中的實(shí)際的溫濕度值與設(shè)定值的誤差分別為°C與左右，表明本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能較好的控制性能，能應(yīng)用于大棚的實(shí)際噴灌作業(yè)。

5 結(jié)論

為提高我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一款大棚智能噴灌系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集大棚環(huán)境的溫濕度信息，并根據(jù)設(shè)置的臨界值，對(duì)大棚的農(nóng)作物進(jìn)行噴灌。實(shí)際應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)的智能噴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚內(nèi)農(nóng)作物的自動(dòng)噴灑及降溫，不但可以節(jié)約人工成本，且提高了水之源與農(nóng)藥的利用率，同時(shí)精準(zhǔn)的噴灌作業(yè)，對(duì)提供農(nóng)作物的產(chǎn)量，具有一定的作用。