基于STM32的智能澆水系統(tǒng)

陶曾杰，宋春雨，黃 攀，曹斌芳

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

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(zhuǎn)移到了農(nóng)作物精量控制澆水及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的科學(xué)管理[1]。采用土渠輸水灌溉的傳統(tǒng)方式滲漏和蒸發(fā)嚴(yán)重，水資源浪費(fèi)嚴(yán)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(diǎn)關(guān)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(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)都有意義[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(lán)牙模塊和上位機(jī)組成。系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，利用傳感器采集周圍環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)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(shè)備和降溫設(shè)備等進(jìn)行控制，使環(huán)境參數(shù)如溫度、土壤濕度處于設(shè)定值之間，達(dá)到對農(nóng)作物進(jìn)行智能自動(dòng)澆水的目的。此外，通過串口屏和智能手機(jī)APP對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示[4]，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的人工控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

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(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)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(qiáng)型，有7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)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(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)的表達(dá)式為

式中：Rt、R0分別是溫度為T(K)和T0時(shí)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(gè)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(yīng)面積，可以提高導(dǎo)電性能[8]。將模擬量輸出A0與AD 模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，送入單片機(jī)進(jìn)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(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)檢測到的土壤濕度值、環(huán)境溫度值與設(shè)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(jié)構(gòu)精簡，可以顯示豐富的內(nèi)容，圖文并茂地展示產(chǎn)品，人機(jī)交互界面友好，更人性化[9]。

2.4 通信模塊

藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行通信，將系統(tǒng)檢測到的土壤濕度值、環(huán)境溫度值與設(shè)定的濕度上下限、環(huán)境溫度上下限顯示在手機(jī)APP上。本設(shè)計(jì)選用HC-06模塊，其外置8 Mbit FLASH，內(nèi)置2.4 GHz天線。用戶無須調(diào)試天線，外圍設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)所需通信功能。HC-06模塊是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，使用AT指令集，可進(jìn)行修改名稱、密碼及設(shè)置波特率等操作。系統(tǒng)使用透傳模式，作為從機(jī)，被手機(jī)藍(lán)牙搜索到，配對成功后，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與手機(jī)之間相互通信。手機(jī)指令通過藍(lán)牙傳輸?shù)紿C-06模塊，模塊再通過串口與STM32通信，以實(shí)現(xiàn)兩者之間的讀寫。一幀藍(lán)牙通信指令定義如表1所示，當(dāng)設(shè)置或顯示硬件的年月日及時(shí)分秒時(shí)須額外加2個(gè)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(zhuǎn)化為十進(jìn)制為17，即通過手機(jī)端設(shè)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(qū)動(dòng)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(shè)備和降溫設(shè)備等運(yùn)行，如圖3所示。

圖3 單個(gè)輸出控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

智能澆水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)和手動(dòng)2種模式下工作。用戶可以在觸摸屏或APP平臺(tái)進(jìn)行工作模式的設(shè)置。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，溫、濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)澆水模式，根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行閾值判斷，來控制水泵、加熱設(shè)備和降溫設(shè)備等運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)澆水模式，用戶根據(jù)平臺(tái)顯示的農(nóng)作物的生長環(huán)境，設(shè)置澆水量、溫度值等，然后發(fā)出指令控制相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行。

圖4 主程序流程圖

3.2 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)包括2部分：通過HMI觸摸屏進(jìn)行監(jiān)控；通過手機(jī)APP進(jìn)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(dòng)澆水時(shí)間、手動(dòng)澆水時(shí)間參數(shù)等，直觀明了。

2)可以設(shè)置溫度、濕度的上下限報(bào)警范圍，自動(dòng)澆水時(shí)間，手動(dòng)澆水時(shí)間，并具有掉電保存功能，參數(shù)保存在單片機(jī)內(nèi)部，上電無須重新設(shè)置。

3)當(dāng)濕度低于下限值時(shí)，打開澆水電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)灌溉；當(dāng)濕度高于上限值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉澆水電機(jī)停止灌溉。

4)當(dāng)溫度低于下限值，打開加溫設(shè)備進(jìn)行加溫；當(dāng)溫度高于上限值時(shí)，打開降溫設(shè)備進(jìn)行降溫；當(dāng)溫度在設(shè)定值內(nèi)時(shí)，關(guān)閉加溫和降溫設(shè)備。

5)具有手動(dòng)模式，可手動(dòng)打開澆水電機(jī)。

6)集成RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，精準(zhǔn)顯示時(shí)間，并進(jìn)行澆水電機(jī)的控制。

7)能使用手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程控制(設(shè)置溫度、濕度的上下限報(bào)警范圍，自動(dòng)澆水時(shí)間，手動(dòng)澆水時(shí)間)。

3.2.2 串口屏界面設(shè)計(jì)

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

主界面又分為2部分：顯示與控制。顯示主要顯示當(dāng)前設(shè)備內(nèi)置時(shí)鐘、當(dāng)前環(huán)境溫度及溫度上下限、當(dāng)前土壤濕度及土壤濕度上下限?？刂浦饕峁┻M(jìn)入設(shè)置參數(shù)界面、進(jìn)入待機(jī)界面和手動(dòng)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(jī)界面，顯示當(dāng)前設(shè)備內(nèi)置時(shí)鐘、當(dāng)前環(huán)境溫度、當(dāng)前土壤濕度和下次澆水時(shí)間。點(diǎn)擊屏幕就能提供喚醒處于休眠狀態(tài)的硬件設(shè)備。待機(jī)界面如圖6所示。

圖6 待機(jī)界面

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

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

這3個(gè)界面主要利用USART HMI軟件通過調(diào)用文本框、按鈕、觸摸熱區(qū)等控件完成設(shè)計(jì)。

3.2.3 APP界面設(shè)計(jì)

用戶通過手機(jī)APP可以實(shí)時(shí)了解種植場地的溫度和土壤濕度，并進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)澆水。界面設(shè)計(jì)與HMI串口觸摸屏相似，同樣由3部分組成：連接設(shè)備界面、參數(shù)顯示界面、參數(shù)設(shè)置界面。連接設(shè)備界面，主要實(shí)現(xiàn)通過藍(lán)牙連接硬件設(shè)備，連接成功后跳轉(zhuǎn)至參數(shù)顯示界面；參數(shù)顯示界面，主要顯示當(dāng)前設(shè)備內(nèi)置時(shí)鐘、當(dāng)前環(huán)境溫度及溫度上下限、當(dāng)前土壤濕度及土壤濕度上下限，以及提供進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面、斷開硬件連接和手動(dòng)澆水的控制接口，如圖8所示。參數(shù)設(shè)置界面，提供設(shè)置溫度上下限、土壤濕度上下限、自動(dòng)澆水時(shí)間及間隔時(shí)間、手動(dòng)澆水時(shí)間的接口。整個(gè)界面主要利用E4A軟件通過調(diào)用藍(lán)牙、文本框、按鈕等控件完成設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

本文完成了智能澆水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件的開發(fā)，通過測試，HMI串口觸摸屏和手機(jī)APP能精確顯示溫度、濕度、自動(dòng)澆水時(shí)間、手動(dòng)澆水時(shí)間參數(shù)和控制水泵、加熱設(shè)備和降溫設(shè)備等運(yùn)行。隨著信息技術(shù)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(huì)越來越多。智能澆水系統(tǒng)的發(fā)展研究趨勢將會(huì)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(shí)價(jià)格更容易被接受[11]。

圖8 參數(shù)顯示界面