基于STM32的土壤濕度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

魏楚偉，侯 露，黃健榮，朱寒豹，程俊峰

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

中國(guó)的人均淡水資源占有量很少，僅占世界平均量的四分之一，水資源匱乏[1]。目前農(nóng)業(yè)用水占我國(guó)總用水量的80%，且農(nóng)業(yè)用水仍以人工和經(jīng)驗(yàn)為主[2]。因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水問(wèn)題對(duì)緩解水資源緊缺具有重要意義[3]。土壤濕度是衡量作物生長(zhǎng)環(huán)境的重要指標(biāo)[4]，根據(jù)土壤濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉可以提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度，減少人工成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度[5]?？垫萚6]利用YL-69 濕度傳感器測(cè)量土壤濕度，基于AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)了植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。鄒聲平等[7]設(shè)計(jì)了基于STC89C52 的智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)誤差小于5%，且操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定。孫小春等[8]選用YL-69 濕度傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能灌溉。李燁桐等[9]采用土壤濕度傳感器采集花卉土壤濕度信息，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化實(shí)時(shí)灌溉。目前土壤濕度的采集大多局限在實(shí)驗(yàn)室研究，開(kāi)發(fā)出成本低、便攜、操作簡(jiǎn)單、采集精度高的土壤濕度采集裝置是今后研究的關(guān)鍵方向[10]。

本文綜合考慮成本、使用環(huán)境和便攜性的要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于STM32 控制器，且具備人機(jī)交互界面的便攜式自動(dòng)控制灌溉裝置。

1 系統(tǒng)總體方案

本裝置主要由單片機(jī)控制器模塊、土壤濕度傳感器模塊、液晶顯示屏模塊、按鍵模塊、串口模塊、水肥機(jī)繼電器模塊和電源模塊等部分組成。單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)采集土壤濕度信息后，發(fā)出相關(guān)指令控制水肥機(jī)的啟停，使土壤濕度值保持在一定范圍，保證植物生長(zhǎng)所需的最優(yōu)土壤濕度環(huán)境；配備了顯示屏和按鍵，可實(shí)時(shí)顯示土壤濕度以及水肥機(jī)啟停狀態(tài)，設(shè)定、調(diào)整土壤濕度在最優(yōu)范圍。具體工作原理如下。

土壤濕度傳感器模塊將所采集的土壤濕度信號(hào)經(jīng)放大后傳送至單片機(jī)內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出土壤的濕度值。單片機(jī)微控制器模塊根據(jù)采集到的濕度數(shù)據(jù)，將最后處理的結(jié)果發(fā)送到LCD 顯示器進(jìn)行顯示。同時(shí)單片機(jī)微控制器根據(jù)設(shè)定的濕度范圍來(lái)判斷水肥機(jī)是否需要開(kāi)啟，若土壤濕度低于下限值，就啟動(dòng)水肥機(jī)進(jìn)行灌溉；若濕度高于上限值，則關(guān)閉水肥機(jī)，停止灌溉。系統(tǒng)通過(guò)電源模塊為STM32 單片機(jī)、土壤濕度傳感器等模塊供電。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2 硬件選型與電路設(shè)計(jì)

2.1 土壤濕度傳感器模塊

本裝置選用的土壤濕度傳感器是TDR-3 土壤濕度傳感器，實(shí)物如圖2 所示，該濕度傳感器測(cè)量的土壤濕度為體積百分比（%），是一款高精度、高靈敏度測(cè)量土壤水分的傳感器。

圖2 TDR-3 土壤濕度傳感器Fig.2 TDR-3 soil humidity sensor

土壤濕度傳感器的信號(hào)端輸出的為電壓信號(hào)，電壓范圍是0～2.5 V。在預(yù)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采集的模擬電壓值與實(shí)際濕度值并不完全是線性關(guān)系，在空氣中存在一定的漂移電壓，因此在粘土的環(huán)境中進(jìn)行了數(shù)據(jù)的標(biāo)定，得到電壓與土壤濕度的關(guān)系如表1 所示。

表1 電壓與土壤濕度的關(guān)系Tab.1 Relationship between voltage and humidity value

2.2 控制器模塊

選用STM32F103CRT6 單片機(jī)作為本裝置的控制系統(tǒng)，該單片機(jī)有功能強(qiáng)、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。STM32 內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器可將土壤濕度傳感器采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便通過(guò)程序處理。當(dāng)有模擬量輸入時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter，ADC）通過(guò)多次比較，使得數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值，通過(guò)式（1）計(jì)算出電壓值。土壤濕度傳感器需要一路模擬量的輸入，選擇STM32 的PA1 引腳作為數(shù)據(jù)輸入口，為了加快數(shù)據(jù)的處理能力，同時(shí)開(kāi)通了DMA 數(shù)據(jù)通道。

式中soil為ADC采集處理得到的模擬電壓值，V；ADC_ConveredValue為寄存的值；4096為12位寄存器滿偏的值；3.3為單片機(jī)參考電壓VDD的值。

2.3 鍵盤模塊

該模塊用于輸入濕度值的上下限值，將按鍵開(kāi)關(guān)直接跟單片機(jī)的IO 口連接，公共端均接地。如圖3 所示，按鍵K1，K2，K3，K4，K5 分別與單片機(jī)的PB3，PB4，PB5，PB6，PB7 引腳相連。K1 和K2可分別增加和減小濕度上限值，K3 和K4 可增加和減小濕度下限值，K5 為屏幕開(kāi)關(guān)鍵。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)設(shè)定一個(gè)默認(rèn)的上下限值，通過(guò)按鍵可修改濕度值的上下限，修改后可自動(dòng)保存濕度上下限值。

圖3 按鍵電路圖Fig.3 Key circuit diagram

2.4 液晶顯示屏模塊、繼電器模塊與電源模塊

液晶顯示器模塊選用LCD12864 液晶顯示器，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)和中文等的點(diǎn)陣型液晶模塊，取決于自身的取模數(shù)組的定義。

水肥機(jī)繼電器模塊選用型號(hào)為HK4100FDC5V-SHG 的固態(tài)繼電器，圖4 所示為繼電器接線圖，RELAY 表示繼電器。當(dāng)單片機(jī)的PIC1 引腳輸出高電平時(shí)，三極管Q2 飽和導(dǎo)通，繼電器吸合，同時(shí)點(diǎn)亮狀態(tài)指示的發(fā)光二極管，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)PIC1 引腳輸出低電平時(shí)，三極管Q2 截止，繼電器線圈兩端沒(méi)有電位差，繼電器銜鐵釋放，同時(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管熄滅，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)釋放，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。在三極管截止的瞬間，由于線圈中的電流不能突變?yōu)榱?，繼電器線圈兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高電壓的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以通過(guò)二極管釋放，起到保護(hù)三極管免被擊穿的作用，也消除了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)其他電路的干擾。

圖4 繼電器模塊接線圖Fig.4 Drive circuit diagram

選用5 V 蓄電池為整個(gè)設(shè)備供電，土壤濕度傳感器的工作電壓為5 V，蓄電池可直接為土壤濕度傳感器供電；由于單片機(jī)工作電壓為3.3 V，故通過(guò)AMS1117 電壓轉(zhuǎn)換器將蓄電池的5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 電壓為單片機(jī)供電，電源模塊電路如圖5所示。其中電容C13，C14 為穩(wěn)定電容，具有抑制脈沖干擾，高頻以及減少紋波的作用，保持供電系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖5 電源電路圖Fig.5 Power supply circuit diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)對(duì)串口模塊程序，液晶顯示屏模塊程序和ADC 采集程序等進(jìn)行初始化。系統(tǒng)初始化配置后，默認(rèn)設(shè)置濕度上限值為40%，下限值為30%，通過(guò)土壤濕度傳感器采集土壤濕度，與設(shè)定的上下限值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)決定施肥機(jī)是否開(kāi)啟。當(dāng)有按鍵輸入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)外部中斷處理程序，對(duì)按鍵掃描，通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)整所需濕度的上下限值，并且傳感器一直處于采集的狀態(tài)，主函數(shù)流程如圖6所示。

圖6 主函數(shù)流程圖Fig.6 The main function process

3.2 按鍵處理程序

該模塊主要通過(guò)4 個(gè)按鍵K1，K2，K3，K4 設(shè)置系統(tǒng)濕度的上下限值，K1 和K2 可分別增加和減小濕度上限值，K3 和K4 可增加和減小濕度下限值，K5 為屏幕開(kāi)關(guān)鍵。系統(tǒng)對(duì)按鍵的響應(yīng)設(shè)置為外部中斷模式，響應(yīng)效果快，并實(shí)時(shí)可對(duì)濕度值進(jìn)行修改，軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 按鍵響應(yīng)流程圖Fig.7 Keys response flow chart

3.3 按鍵處理程序

該模塊的主要功能是采集土壤濕度并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)STM32 內(nèi)部自帶的ADC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本裝置只用到了一個(gè)土壤濕度傳感器，通過(guò)ADC1 的PB1 通道進(jìn)行測(cè)量讀取。并在此引用了式（1）進(jìn)行計(jì)算，代碼如下所示

ADC_ConvertedValue=ADC_Get(); // 該ADC 是讀取ADC 寄存中的值。

soil=(float) ADC_ConvertedValue/4096*3.3;

土壤濕度數(shù)據(jù)采集處理軟件流程如圖8 所示。

圖8 土壤濕度傳感器軟件流程Fig.8 Software flow of soil moisture sensor

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)以上描述搭建基于STM32 的土壤濕度監(jiān)控裝置的樣機(jī)并調(diào)試，樣機(jī)如圖9 所示。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于STM32 的土壤濕度監(jiān)控裝置是否能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控土壤濕度并根據(jù)濕度控制水肥機(jī)啟停的功能，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

圖9 土壤濕度監(jiān)控裝置樣機(jī)Fig.9 Soil humidity monitoring device prototype

4.1 試驗(yàn)材料與方法

準(zhǔn)備21 盆干燥的土壤，并向其中加入不同體積的清水靜置30 min，其中試驗(yàn)組1 不加入清水，作為對(duì)照組。將本裝置的土壤濕度上下限值分別設(shè)置為40%和20%，如圖10 所示。用本裝置依次測(cè)量每個(gè)盆內(nèi)土壤濕度并記錄單片機(jī)獲取的傳感器電壓值，觀察施肥機(jī)電磁閥是否啟動(dòng)，將萬(wàn)用表（型號(hào)：勝祿高SK-890C，分辨率：0.001 V，準(zhǔn)確度：±0.8%）調(diào)至20 V 檔測(cè)量傳感器輸出電壓。

圖10 實(shí)物測(cè)試環(huán)境Fig.10 Physical test environment

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)本裝置插入盆中土壤時(shí)，顯示屏能實(shí)時(shí)顯示土壤濕度。當(dāng)土壤濕度小于20%時(shí)，水肥機(jī)啟動(dòng)，增加土壤濕度；當(dāng)土壤濕度達(dá)到上限，施肥機(jī)停止灌溉。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，由表2 可知傳感器輸出電壓與單片機(jī)讀取電壓差值在-0.08～0.07 V 范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明該裝置能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控土壤濕度并根據(jù)濕度控制水肥機(jī)啟停的功能，單片機(jī)讀取的土壤濕度信息精確真實(shí)，具有實(shí)際意義。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Verification of the test results

5 結(jié)論

1）通過(guò)TDR-3 土壤濕度傳感器，結(jié)合STM32 單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)的土壤濕度采集及控制裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度，并結(jié)合灌溉設(shè)施技術(shù)進(jìn)行水分補(bǔ)償，具有顯示土壤濕度并控制灌溉的功能。

2）通過(guò)試驗(yàn)證明了該裝置能夠快速監(jiān)測(cè)土壤濕度，并控制水肥機(jī)根據(jù)土壤濕度及時(shí)響應(yīng)；可廣泛應(yīng)用于各類水肥一體化智能灌溉等場(chǎng)景，減少了人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。