行走式多功能噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建剛

摘要：本文就基于溫室大棚的行走式多功能噴灌系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測試，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動行走式智能噴灌，噴灑和灌溉均勻度高、覆蓋范圍廣，有效提高了農(nóng)藥化肥和水資源利用率，降低了噴灌死角范圍。

Abstract： In this paper， the hardware design， software design， and system testing of the walking multifunctional sprinkler irrigation system based on the greenhouse are designed to realize the automatic walking intelligent sprinkler irrigation. The spraying and irrigation uniformity is high， the coverage is wide， and the pesticide fertilizer and water resource utilization are effectively improved， and the dead angle range of sprinkler irrigation is reduced.

關(guān)鍵詞：行走式;噴灌技術(shù);傳感器;溫室大棚

Key words： walking type;sprinkler irrigation technology;sensor;greenhouse

中圖分類號：TP212.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）06-0177-03

0 ?引言

2017年2月5日，中共中央國務(wù)院一號文件公布，文件要求加大推行綠色生產(chǎn)方式，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力，大規(guī)模實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，深入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化建設(shè)。

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，農(nóng)業(yè)進(jìn)入現(xiàn)代化科學(xué)農(nóng)業(yè)發(fā)展階段，而溫室大棚也越來越成為農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展的重要部分。隨著溫室大棚建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及各種農(nóng)產(chǎn)品品種日趨多樣性，對溫室大棚的噴灌技術(shù)提出了更高要求，以往的人工噴灌方式無論在資源使用效率上、人力成本和時間上都顯示出了極大的局限性，現(xiàn)代溫室越來越需要有先進(jìn)的農(nóng)藥和營養(yǎng)液噴灑、節(jié)水灌溉設(shè)施，以滿足溫室內(nèi)作物的生長需求。

1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 濕度傳感器選擇

SHT20介紹：濕度傳感器選用SHT20傳感器，SHT20數(shù)字溫濕度傳感器，是基于數(shù)字傳感技術(shù)的硬件，數(shù)據(jù)具有極高的有效性，設(shè)備也具有長期穩(wěn)定性。雙線數(shù)字接口并可以直接連到單片機(jī)上，簡化了外圍的電路進(jìn)一步降低的成本。SHT20濕度傳感器，功耗非常小且被浸泡也可以使用，性價(jià)比高，使用該產(chǎn)品可以應(yīng)用于各種場合。

SHT20通訊：SHT20溫濕度傳感器采用的是標(biāo)準(zhǔn)的 IIC協(xié)議進(jìn)行通訊。啟動傳輸狀態(tài)（S）-當(dāng)時鐘信號線為高電平時，數(shù)據(jù)線由高電平轉(zhuǎn)換為低電平;停止傳輸狀態(tài)（P）-當(dāng)時鐘信號線高電平時，數(shù)據(jù)線上從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。

1.2 芯片選擇

芯片介紹：設(shè)計(jì)中選用主控芯片是STM32F103系列增強(qiáng)型微控制器STM32F103C8T6。此芯片一個嵌入在八兆赫的RC振蕩器;一個自帶精確校準(zhǔn)的三十二兆赫的RTC振蕩器;一個高級定時器，三個普通定時器，這幾個定時器又各自帶有四個通道，方便進(jìn)行輸入和輸出。

主控電路設(shè)計(jì)：主控電路是由主控芯片STM32F103C8T6單片機(jī)，時鐘電路及復(fù)位電路三部分構(gòu)成的STM32F103C8T6最小系統(tǒng)。其中時鐘電路是為STM32F103C8T6單片機(jī)提供脈沖信號;芯片集成還有定時器、UART、CAN、ADC、USB、SPI、I2C等多種功能。

1.3 電機(jī)驅(qū)動選擇

電機(jī)這里選用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊。將L298N與單片機(jī)連接在一起，直接用單片機(jī)的I/O口提供信號，單片機(jī)更容易控制，電路更加簡單。可以很方便的通過改變輸入端的邏輯電平來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

這里選擇TFT-LCD模塊，TFT是指薄膜晶體管，意即每個液晶像素點(diǎn)都是由集成在像素點(diǎn)后面的薄膜晶體管來驅(qū)動，從而可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。

1.5 通信模塊選擇

nRF24L01介紹：無線通信模塊采用價(jià)格低廉的nRF24L01射頻芯片。該芯片可以低速輸入數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)輸入完畢后，高速發(fā)出，數(shù)據(jù)在空中停留時間短，從而達(dá)到降低功耗，提高抗干擾能力。

引腳功能：在nRF24L01中，共有20個引腳，每個引腳也有著不同的作用。其工作原理：模式控制引腳由CE、CSN、IRQ、MISO、MOSI、SCK六個引腳來控制nRF24L01芯片的工作模式。

當(dāng)nRF模塊準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將模塊切換為發(fā)射模式，當(dāng)CSN為低電平時，TX_PLD才可以寫入;當(dāng)nRF模塊準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)時，先把模塊切換為接收模式，在一百三十微秒延遲后進(jìn)入到接收狀態(tài)，如果發(fā)送來的地址和CRC正確的話，接收到的數(shù)據(jù)就會存在RX_FIFO之中，而RX_DR置為高電平，IRQ就會變低，這樣就會產(chǎn)生中斷，而MCU就被告知需要去讀取數(shù)據(jù)。

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要是由SHT20傳感器采集出所測土壤中濕度的含水量，再通過信號轉(zhuǎn)換，將采集得出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后發(fā)送給單片機(jī)X，單片機(jī)A控制的NRF無線模塊X，發(fā)送無線信號給另一NRF無線模塊Y，NRF無線模塊Y接收到無線信號，發(fā)送給單片機(jī)B，從而實(shí)現(xiàn)無線信號傳輸。單片機(jī)再驅(qū)動小車移動到指定位置，實(shí)施定點(diǎn)噴灌。其主程序流程圖如圖1所示。

2.2 無線程序設(shè)計(jì)

無線模塊發(fā)送程序設(shè)計(jì)：首先需要將無線芯片進(jìn)行初始化處理，然后將CE電平拉低，使芯片處于空閑待機(jī)狀態(tài)，通過SPI總線與nRF無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用SPI總線配置nRF無線收發(fā)模塊的工作模式。無線模塊發(fā)送的程序流程圖如圖2所示。

無線接收程序設(shè)計(jì)：先初始化nRF24L01無線收發(fā)模塊，將CE電平拉低使芯片進(jìn)入待機(jī)模式，然后配置nRF24L01為接收數(shù)據(jù)模式，寫入接收地址，配置接收頻率及數(shù)據(jù)寬度。無線接收程序流程圖如圖3所示。

2.3 顯示程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中圖形交互界面采用數(shù)據(jù)驅(qū)動。將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到屏幕的緩存區(qū)中，屏幕自動將數(shù)據(jù)顯示屏幕上。顯示程序流程圖如圖4所示。

2.4 傳感器程序設(shè)計(jì)

SHT20的第一個引腳為GND，第四引腳為VDD。其他的兩個引腳中，第二個DATA引腳是SHT20的數(shù)據(jù)引腳，第三個SCK引腳是SHT20的時鐘控制引腳。SHT20傳感器與STM32單片機(jī)接線如圖5所示。

3 ?系統(tǒng)主要功能測試

這里需要把每一個模塊單獨(dú)分開進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試成功以后，再將各部分連接起來。系統(tǒng)的調(diào)試主要分為軟件調(diào)試、硬件調(diào)試。

硬件調(diào)試：硬件調(diào)試首先需要檢測每一個電源的電路，在焊接完電源電路后，先不通電，檢測確定正確后，才可通電調(diào)試。

軟件調(diào)試：軟件調(diào)試主要根據(jù)流程圖，確定好軟件的流程，然后調(diào)試;在調(diào)試的過程中應(yīng)當(dāng)分步合并程序，不可一次將全部程序合并在一起調(diào)試。

4 ?結(jié)論

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下幾點(diǎn)改進(jìn)：一是設(shè)計(jì)的特色在于溫室大棚的灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化行走，打破傳統(tǒng)全大棚管道噴灌系統(tǒng)效率不高，難以精準(zhǔn)控制灌溉量，無法達(dá)到水肥一體化，勞動強(qiáng)度高的限制;二是通過傳感器實(shí)時監(jiān)測土壤溫濕度，根據(jù)環(huán)境溫濕度等具體情況，對農(nóng)作物生長目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行實(shí)際調(diào)控，提高灌溉效率，保證農(nóng)作物生長品質(zhì)，降低人為介入強(qiáng)度;三是科學(xué)化的噴灌方式符合國家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展要求與社會發(fā)展需要，有效減少水資源浪費(fèi)，避免化肥農(nóng)藥使用過度造成環(huán)境污染等情況。

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