基于STM32智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 偉，宋梓源，王明茜

(咸陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們?cè)谏钯|(zhì)量方面也有了更高的需求。在家庭及工作場(chǎng)所養(yǎng)殖綠植已成為人們改善室內(nèi)環(huán)境的主要方式，但由于生活節(jié)奏的加快人們時(shí)常忘記按時(shí)澆灌綠植，從而導(dǎo)致綠植枯萎死亡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為了提高盆栽綠植澆水的智能化，設(shè)計(jì)一款基于STM32的盆花自動(dòng)澆水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)綠植生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度以及土壤濕度情況，當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)值低于設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)盆花澆水功能，從而減輕了人們養(yǎng)護(hù)綠植的工作量。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是為了解決澆水不及時(shí)、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)而導(dǎo)致綠植枯萎死亡的問題。系統(tǒng)選用DHT11[1]傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綠植的土壤濕度情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)綠植環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想是：將溫濕度傳感器檢測(cè)到的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)顯示在串口調(diào)試工具上；利用土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給主控板并顯示在OLED顯示屏上；水泵及電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過獲取到的土壤濕度數(shù)據(jù)來控制水泵的開關(guān)，并在OLED顯示屏上顯示澆水狀態(tài)。系統(tǒng)的主控板選用的是STM32F407[2]，主要對(duì)溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、OLED及水泵進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分硬件與軟件兩部分，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器[3]由土壤探頭和濕度處理模塊組成，通過杜邦線將它們相連。將土壤探頭插入土壤當(dāng)中檢測(cè)數(shù)據(jù)，濕度處理模塊將土壤探頭檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析得到具體數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送給主控板，主控板將接收到數(shù)據(jù)與設(shè)置的土壤閾值比較，如果數(shù)據(jù)小于設(shè)定的閾值，啟動(dòng)水泵以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水的功能。藍(lán)色電位器在模塊中可以調(diào)節(jié)土壤濕度閾值，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)濕度閾值變大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)濕度閾值變小，模擬量輸出D0可以與繼電器相連，直接控制繼電器的轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬量輸出AO可以和STM32的ADC轉(zhuǎn)換接口相連，通過ADC轉(zhuǎn)換，獲得具體的土壤濕度數(shù)值。土壤濕度傳感器引腳接口如圖2所示，GND為電源接地，VCC為電源正極(3.3 V)，A0接ADC1通道5的PA3引腳，D0置空。

圖2 土壤濕度傳感器引腳定義

該系統(tǒng)選擇的是YL-69[4]土壤濕度傳感器，該濕度傳感器是由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成的，土壤檢測(cè)探頭感應(yīng)面積大大提高了導(dǎo)電性，表面鍍鎳防止生銹，可長(zhǎng)期埋置于土壤內(nèi)使用。

2.2 溫濕度傳感器

系統(tǒng)中選用STM32F407開發(fā)板上自帶的DHT11溫濕度傳感器，其連電路連接如圖3所示。引腳PG9用于處理器與DHT11間的同步和通訊，數(shù)據(jù)格式為單總線方式，通信時(shí)間約為4 ms，一次傳輸40個(gè)bit，格式定義如下[5]：

圖3 溫濕度傳感器電路連接圖

數(shù)據(jù)格式:濕度(8位整數(shù))+濕度(8位小數(shù))+溫度(8位整數(shù))+溫度(8位小數(shù))+8位校驗(yàn)和。

發(fā)送開始信號(hào)后，先設(shè)置為輸出模式，然后拉低電平，持續(xù)至少18 ms，然后再拉高電平，持續(xù)20 μs～40 μs，在設(shè)置為輸入模式時(shí)，檢查DHT11的響應(yīng)信號(hào)，低電平持續(xù)80 μs，高電平持續(xù)80 μs，即DHT11有響應(yīng)，如果沒有響應(yīng)，就一直為高電平。保持輸入模式時(shí)，識(shí)別低電平為50 μs時(shí)，高電平26 μs～28 μs，就為bit0；當(dāng)識(shí)別低電平50 μs，高電平70 μs，就為bit1。然后繼續(xù)識(shí)別低電平50 μs，再變?yōu)檩敵瞿Ｊ剑敵龈唠娖?，一次?shù)據(jù)采集完成，當(dāng)沒有接收到下一次開始信號(hào)時(shí)，保持原狀態(tài)不變。

2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于在系統(tǒng)中各模塊之間電壓大小不同，所以需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)來調(diào)節(jié)電壓，使系統(tǒng)電路電壓穩(wěn)定，因此選擇L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)作電壓調(diào)節(jié)器。L298N的主要功能：提供了12 V的電源輸入，5 V的電源輸出；邏輯控制輸入電路，設(shè)置IN1和IN2的電位能夠控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止；該驅(qū)動(dòng)器可以使能2個(gè)電機(jī)，ENA、ENB使能兩個(gè)輸出端口。L298N引腳接口[6]如圖4所示，接上跳線帽，采用5 V板載使能,將外部12 V電源供電給模塊,并輸出5 V電源到STM32開發(fā)板，IN1接PE5引腳，IN2接PB6引腳，輸出端口out3、out4接上水泵。

圖4 L298N引腳定義

2.4 OLED

由于OLED[7]具有自發(fā)光功能，且其反應(yīng)速度快，厚度小于LCD屏幕，視角寬，對(duì)比度高，同時(shí)可以使用柔性面板，模塊溫度檢測(cè)范圍大，構(gòu)造簡(jiǎn)單及高分辨率等特點(diǎn)。因此，系統(tǒng)中選擇OLED顯示屏來顯示數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)采用的是0.96寸OLED顯示屏，其主要特征如下：

0.96英寸OLED提供三種顏色，即黃色、白色和藍(lán)色；黃色光占前面1/4，藍(lán)色光占后面3/4；OLED屏幕的固定區(qū)域顯示固定顏色，顏色和顯示區(qū)域不能被修改，OLED分辨率為128*64。

本設(shè)計(jì)中OLED屏采用IIC接線形式，引腳接口如圖5所示，GND接地，VCC接電源正極(3 V～5.5 V)，OLED的D0(SDA)引腳，在IIC通信協(xié)議中為數(shù)據(jù)管腳，這里接上開發(fā)板的PB8引腳，OLED的D1(SCL)引腳，在IIC通信協(xié)議中為時(shí)鐘管腳，這里接上開發(fā)板的PB9引腳，RES接PC7引腳，DC接PC11引腳，CS接PC8引腳。

圖5 L298N接口引腳

2.5 水 泵

系統(tǒng)中水泵是用來實(shí)現(xiàn)澆水的設(shè)備，本次開發(fā)中選用的是小型水泵，它的工作電壓為2 V～16 V，工作電流為1 A，系統(tǒng)使用12 V電壓供電，利用L298N電壓放大模塊進(jìn)行電壓控制[8]。儲(chǔ)水設(shè)備使用瓶子裝水，便于加水及水泵抽水。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分是在Keil C51[9]環(huán)境下開發(fā)完成的，主要包括環(huán)境溫濕度、土壤濕度、自動(dòng)澆水功能以及顯示等模塊的軟件設(shè)計(jì)與配置，其系統(tǒng)操作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)操作流程

3.1 土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度模塊軟件設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分，其主要步驟如下：

(1)模擬信息輸出端口的配置。

對(duì)YL-69的接口初始化進(jìn)行配置，GPIO A端口[10]為PA3，設(shè)置為模擬輸入模式，獲取采集到的模擬信號(hào)，模擬信息輸出端口配置如下：

RCC_AHB1_PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能端口A時(shí)鐘

RCC_APB2_PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //使能ADC1時(shí)鐘

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_3; //配置ADC1的3號(hào)通道模擬輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AN; //設(shè)置引腳具有模擬輸入或輸出功能。

(2)ADC初始化，設(shè)置ADC的相關(guān)參數(shù)。

采用獨(dú)立工作模式[11]，在當(dāng)前的通道5只采用ADC硬件工作，ADC的工作時(shí)鐘設(shè)置42 MHz，禁止DMA；ADC的工作模式設(shè)置為12位精度，不需要連續(xù)掃描，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連續(xù)工作，禁止觸發(fā)檢測(cè)，不需要PWM脈沖觸發(fā)工作，存儲(chǔ)ADC的結(jié)果值采用右對(duì)齊，執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后使能ADC1。

ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler=ADC_Prescaler_Div2;//設(shè)置ADC掃描方式

ADC_InitStructure.ADC_Resolution=ADC_Resolution_12b;//精度設(shè)置

指定ADC1常規(guī)通道5的采樣時(shí)間，3個(gè)ADC時(shí)鐘時(shí)間，采樣時(shí)間計(jì)算方法：采樣時(shí)間=3個(gè)ADC時(shí)鐘時(shí)間=3*(1/42 MHz)。

(3)采集轉(zhuǎn)換電壓。

最后讀取傳感器的值，根據(jù)該電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為百分比的形式返回，讀取到的是濕度的百分比值，將float型轉(zhuǎn)換為int型輸出。計(jì)算方法：電壓百分比=采集到的電壓值/最大電壓值，具體如下[12]：

percent_float=((a-min)/(max-min))*100%

(1)

將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值數(shù)據(jù)，ADC設(shè)置為12精度工作模式，計(jì)數(shù)范圍為0～4 095，供電電壓為3.3 V，計(jì)算方法：電壓=采集到的數(shù)值/4 095*3.3，具體如下：

adc_vol=(float)adc_vol*3.3/4 095

(2)

3.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度模塊軟件設(shè)計(jì)部分，先對(duì)GPIO輸入輸出進(jìn)行配置，然后判斷DHT11工作與否，若正常工作，則獲取所讀8位字節(jié)數(shù)據(jù)，將所獲取的字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫室度數(shù)據(jù)，并對(duì)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和。

(1)對(duì)DHT11的GPIO口進(jìn)行初始化，使能GPIOG時(shí)鐘源，PG9為輸出模式。

RCC_AHB1_PeriphClockCmd(RCC_AHB1_Periph_GPIOG, ENABLE);// G組端口初始化

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//配置PE5

(2)調(diào)用uint32_t dht_start()函數(shù)[13]開啟DHT11工作，并將其設(shè)置為輸出模式，PG9輸出低電平并延時(shí)20 ms，接著PG9輸出高電平并延時(shí)25 ms，再將輸出模式調(diào)為輸入模式，檢測(cè)引腳電平、模塊響應(yīng)信號(hào)。

(3)調(diào)用dht_read_byte()函數(shù)獲取8位數(shù)據(jù)，調(diào)用dht_read_data(data)函數(shù)獲取溫濕度數(shù)據(jù)，通過數(shù)組依次獲取濕度的小數(shù)、整數(shù)，溫度的小數(shù)、整數(shù)，并計(jì)算校驗(yàn)和，最終將獲取的溫濕度數(shù)據(jù)輸出顯示。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換及供電，將水泵與L298N進(jìn)行連接，只需對(duì)兩個(gè)引腳進(jìn)行配置，然后對(duì)開啟關(guān)閉電機(jī)條件進(jìn)行判斷。

對(duì)L298N的GPIO口進(jìn)行初始化，初始化B、E組端口，使能GPIOB時(shí)鐘源、GPIOE時(shí)鐘源，配置PE5,PB6為輸出模式，作為IN1，IN2的使能引腳，設(shè)置如下：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_5;//配置PE5,PB6為輸出模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_OUT;//設(shè)置為輸出模式

當(dāng)濕度低于設(shè)定值之時(shí)，把IN1置0，IN2置1，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)濕度高于設(shè)定值之時(shí)，將IN1置0，IN2置0，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并調(diào)用OLED_ShowString()函數(shù)進(jìn)行水泵開關(guān)顯示。

3.4 OLED模塊

OLED模塊軟件設(shè)計(jì)部分需要配置IIC接口[14]以及對(duì)OLED進(jìn)行寄存器初始化，在頭文件中對(duì)漢字顯示進(jìn)行點(diǎn)陣配置等。

(1)設(shè)置OLED的開關(guān)狀態(tài)。

在OLED_WR_Byte()函數(shù)中進(jìn)行開啟關(guān)閉配置，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)參數(shù)為0X14時(shí)為開啟OLED顯示，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)參數(shù)為0X10時(shí)為關(guān)閉OLED顯示，通過調(diào)用void OLED_Display_On()函數(shù)開啟OLED顯示，調(diào)用void OLED_Display_Off()函數(shù)關(guān)閉OLED顯示。

(2)配置IIC接口，初始化B、C組端口，使能GPIOB、GPIOC時(shí)鐘源，配置PB8,PB9為輸出模式，PB8引腳作為IIC的SDA，PB9引腳[15]作為IIC的SCL，具體操作如下：

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA|RCC_AHB1Periph_GPIOB|RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE);//使能GPIOB、GPIOC時(shí)鐘源

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9; //配置PB8,PB9為輸出模式

做題要根據(jù)具體的題目進(jìn)行具體的分析，首先要分析帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此偏重點(diǎn)研究帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就不考慮重力場(chǎng)對(duì)粒子的影響。

(3)對(duì)OLED相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，使用OLED_WR_Byte()函數(shù)對(duì)OLED寄存器進(jìn)行初始化配置。

調(diào)用void OLED_ShowString()函數(shù)顯示英文，調(diào)用void OLED_ShowCHinese()函數(shù)顯示中文。函數(shù)中設(shè)置三個(gè)參數(shù)分別為u8 x,u8 y,u8 *chr，第1個(gè)參數(shù)為x軸分辨率，第2個(gè)參數(shù)為y軸頁碼，64分辨率分為8個(gè)頁碼，第3個(gè)參數(shù)為需要顯示的字符串信息，使用時(shí)要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為無符號(hào)短整型。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 土壤濕度傳感器電壓值測(cè)試

在對(duì)濕度傳感器特性進(jìn)行測(cè)試時(shí)測(cè)量的是模擬量輸出電壓值，根據(jù)輸出情況對(duì)傳感器的特性進(jìn)行分析。當(dāng)測(cè)試環(huán)境參數(shù)低于設(shè)定閾值時(shí)，將通過串口1中斷服務(wù)程序?qū)⑵錅y(cè)試結(jié)果顯示在串口調(diào)試助手上，經(jīng)過多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為濕度數(shù)據(jù)會(huì)隨著電壓值的增大而減小，總體變化波動(dòng)不大，電壓值、濕度數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。

4.2 室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)測(cè)試

對(duì)DHT11檢測(cè)到室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，data數(shù)據(jù)由8 bit組成，每?jī)蒪it組成一個(gè)字符，共四字符，前兩位字符組成溫度數(shù)據(jù)值，后兩位字符組成濕度數(shù)據(jù)值，同樣通過串口1中斷服務(wù)程序?qū)⑵錅y(cè)試結(jié)果顯示在串口調(diào)試助手上。經(jīng)過多次檢測(cè)結(jié)果可知，該DHT11傳感器檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，溫度值相比濕度值更加穩(wěn)定，總體變化波動(dòng)不大。

4.3 自動(dòng)澆水測(cè)試

自動(dòng)澆水部分由水泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成，水泵接收到電平信號(hào)從而控制開關(guān)，測(cè)試中用紙杯裝滿水來提高環(huán)境濕度，土壤濕度設(shè)定的最低濕度閾值為30 RH，最高為50 RH，經(jīng)過系統(tǒng)多次測(cè)試，當(dāng)?shù)陀?0 RH時(shí)，水泵自動(dòng)澆水，當(dāng)高于50 RH時(shí)，顯示濕度正常，自動(dòng)澆水模塊測(cè)試成功，如圖7所示。

圖7 水泵工作測(cè)試

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語

基于STM32的智能灌溉系統(tǒng)以STM32F407為主控板，通過在其上搭建土壤溫濕度傳感器、溫濕度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及OLED顯示屏等以實(shí)現(xiàn)硬件功能；在KeilC51環(huán)境下開發(fā)完成各軟件功能模塊的設(shè)計(jì)及配置。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可根據(jù)不同綠植設(shè)置的閾值自動(dòng)啟動(dòng)盆花澆水的功能，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，提

高了綠植養(yǎng)護(hù)過程中的自動(dòng)化和智能化水平。