基于STM32F417IGT6的蘋(píng)果災(zāi)害智能防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李蓓茹,楊延寧,2,王 凱,張健鵬,鄒 彬

(1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院,陜西 延安 716000;2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 延安 716000)

因?yàn)樗幁h(huán)境晝夜溫差大且光照充足，山地蘋(píng)果的品質(zhì)優(yōu)良，深受消費(fèi)者喜愛(ài)。但山地地形復(fù)雜，溝壑縱橫，山坳處通風(fēng)不暢，春季易發(fā)生霜凍，夏季又因?yàn)闅饬鲗?duì)流嚴(yán)重[1]，導(dǎo)致冰雹天氣頻繁發(fā)生。霜凍和冰雹天氣給蘋(píng)果的生長(zhǎng)及產(chǎn)量造成了極大的損害[2]。目前果園里用來(lái)防霜凍和防冰雹的措施主要是防凍窖坑燒柴禾法和簡(jiǎn)易防雹網(wǎng)，這些措施在一定程度上可以減少霜凍、冰雹災(zāi)害對(duì)蘋(píng)果生長(zhǎng)的影響，但也存在著很多問(wèn)題，例如防凍窖里的點(diǎn)火與滅火時(shí)間完全依賴人工判斷，不能被精確控制；簡(jiǎn)易防雹網(wǎng)屬于固定模式，長(zhǎng)期搭建在果樹(shù)上方影響果實(shí)生長(zhǎng)[3]，長(zhǎng)期日曬雨淋降低了使用壽命，并且安裝拆卸費(fèi)時(shí)費(fèi)力，這些都增加了蘋(píng)果生產(chǎn)的成本。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種智能防霜凍和防冰雹裝置系統(tǒng)，使其可以在霜凍、冰雹天氣來(lái)臨時(shí)提前向用戶的手機(jī)客戶端發(fā)出指令并啟動(dòng)裝置，以便有效防止災(zāi)害天氣對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)的影響，提高蘋(píng)果的質(zhì)量與產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)以STM32F417IGT6單片機(jī)為主控芯片，總體設(shè)計(jì)可分為4個(gè)模塊，分別是DHT11傳感器模塊、遠(yuǎn)程操控模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和無(wú)線通信模塊。DHT11溫濕度傳感器負(fù)責(zé)收集近地面氣溫變化，其與單片機(jī)STM32F417IGT6的I/O端口相連接來(lái)獲得溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)信息決定是否啟動(dòng)L298N電機(jī)模塊。系統(tǒng)在通信過(guò)程中主要依靠ESP8266串口連接進(jìn)行無(wú)線通信，在春季果園溫度低于4 ℃(結(jié)霜溫度)時(shí)，及時(shí)向用戶手機(jī)APP發(fā)出警報(bào)，打開(kāi)防霜凍風(fēng)扇電機(jī)，利用冷熱空氣的梯度分布原理，通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)將果樹(shù)上方的熱空氣輸運(yùn)到樹(shù)體上達(dá)到防霜凍的目的；當(dāng)溫度低至0 ℃時(shí)，向用戶手機(jī)APP發(fā)出警報(bào)并自啟點(diǎn)火裝置，提高樹(shù)體周?chē)h(huán)境溫度，減少霜凍天氣帶來(lái)的危害。點(diǎn)火器采用DC12 V供電的雙針接法點(diǎn)火器。防冰雹電路采用ESP8266串口無(wú)線模塊技術(shù)和STM32F417IGT6單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視冰雹天氣。手機(jī)客戶端與智能防冰雹裝置無(wú)線連接，將天氣信息反饋給用戶。冰雹天氣時(shí)，啟動(dòng)防冰雹裝置打開(kāi)防雹網(wǎng)；冰雹結(jié)束時(shí)，自動(dòng)收起防雹網(wǎng)。蘋(píng)果災(zāi)害防治系統(tǒng)總體原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F417IGT6芯片[4]，芯片原理如圖2所示。該芯片具有高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)，最高工作頻率為168 MHz，在信號(hào)和浮點(diǎn)運(yùn)算上具有很強(qiáng)的處理能力[5]。系統(tǒng)以STM32F417IGT6為核心芯片來(lái)集成各個(gè)模塊，將硬件設(shè)計(jì)分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信3個(gè)主要模塊，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括防冰雹卷網(wǎng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和防霜凍風(fēng)扇電機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)各模塊電路設(shè)計(jì)來(lái)完成總體的硬件設(shè)計(jì)。

圖2 STM32F417IGT6芯片原理圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N是SGS公司生產(chǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路[6-7]。L298N由主控芯片STM32F417IGT6的PWM輸出，通過(guò)控制輸出波形的占空比來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的速度，進(jìn)而控制防冰雹卷網(wǎng)電機(jī)1和防霜凍風(fēng)扇電機(jī)2。圖3為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

主控芯片STM32F417IGT6與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的連接通過(guò)使能ENA和ENB之后，從IN1和IN2輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速和方向，從IN3和IN4輸入PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速和方向。卷網(wǎng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)IN1=1、IN2=0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)達(dá)到卷網(wǎng)功能；IN1=0、IN2=1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)達(dá)到收網(wǎng)功能；IN1=1、IN2=1或IN1=0、IN2=0時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行時(shí)，IN3=1、IN4=0或IN3=0、IN4=1控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)；IN3=1、IN4=1或IN3=0、IN4=0時(shí)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)[8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)字溫濕度DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)有的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[9]。傳感器DHT11利用單根總線與單片機(jī)STM32F417IGT6進(jìn)行雙向的串行數(shù)據(jù)分析，有嚴(yán)格的時(shí)序，信號(hào)傳輸距離可到20 m以上，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[10]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將傳感器DHT11與單片機(jī)的I/O端口相連接，將采集到的果樹(shù)周?chē)鷾貪穸刃畔⒁詳?shù)字形式傳送給單片機(jī)，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit。

2.3 無(wú)線通信模塊

ESP8266系列模組是安信可(Ai-Thinker)公司采用樂(lè)鑫ESP8266芯片開(kāi)發(fā)的一系列WiFi 模組模塊[11]，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡(jiǎn)單，無(wú)需編寫(xiě)時(shí)序信號(hào)， 其模塊原理如圖4所示。單片機(jī)STM32F417IGT6通過(guò)WiFi模塊ESP8266中的RS232協(xié)議進(jìn)行串口通信[12]。WiFi模塊的硬件連接為T(mén)X連接RX，VCC連接3.3 V，GND連接GND，用CH_PD連接3.3 V選擇串口號(hào)對(duì)模塊進(jìn)行配置，將模塊配置成多連接模式。通過(guò)ESP8266連接互聯(lián)網(wǎng)并通過(guò)SmartWeatherAPI接口獲取天氣信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析[13]，為防霜凍和防冰雹裝置啟動(dòng)服務(wù)。

圖4 ESP8266模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32F417IGT6單片機(jī)程序采用Keil MDK進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)發(fā)[14-15]，系統(tǒng)主要由防冰雹模塊和防霜凍模塊兩個(gè)程序構(gòu)成。首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，STA模式提前獲取天氣預(yù)報(bào)，傳感器DHT11實(shí)時(shí)采集外界溫度信息，對(duì)不同的天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與冰雹天氣數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)相一致時(shí)，裝置對(duì)手機(jī)客戶端發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)的措施。冰雹天氣時(shí)，用戶使用手機(jī)客戶端控制防冰雹卷網(wǎng)電機(jī)的收縮，減少冰雹帶來(lái)的災(zāi)害，裝置工作流程如圖5所示。

圖5 防冰雹流程圖

根據(jù)獲取到的天氣信息判斷是否打開(kāi)風(fēng)扇電機(jī)，溫度降至4 ℃時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，風(fēng)扇電機(jī)可將高空較暖的空氣吹向地面。溫度降至0 ℃時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火裝置點(diǎn)燃防凍窖，釋放熱量，提高果樹(shù)周?chē)h(huán)境溫度。放霜凍裝置工作流程如圖6所示。

圖6 防霜凍流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

檢查系統(tǒng)軟件工作環(huán)境，將編輯好的程序輸入到程序編譯器中，編譯結(jié)果正確則使用該程序，編譯結(jié)果有誤根據(jù)提示更改程序直到運(yùn)行結(jié)果正確。硬件調(diào)試需要檢查單片機(jī)STM32F417IGT6的最小系統(tǒng)和各硬件電路供電是否正常，無(wú)誤后進(jìn)行軟件調(diào)試。將傳感器DHT11與單片機(jī)的I/O端口相連接，通過(guò)One-Wire模式同行獲得溫濕度數(shù)據(jù)。單片機(jī)STM32F417IGT6與WiFi模塊ESP8266的輸入輸出串口相連接，通過(guò)SmartWeatherAPI接口獲取天氣信息并進(jìn)行解析。利用ESP8266模塊的RS232協(xié)議進(jìn)行通信，用戶便可通過(guò)手機(jī)APP發(fā)出對(duì)系統(tǒng)裝置的控制指令。對(duì)霜凍天氣在程序編寫(xiě)時(shí)設(shè)定兩個(gè)溫度閾值，傳感器持續(xù)檢測(cè)外界溫度。當(dāng)檢測(cè)到溫度低于4 ℃時(shí)，防霜凍風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，點(diǎn)燃防凍窖的柴禾，迅速釋放煙霧并產(chǎn)生大量氣溶膠氣體顆粒，減少土壤和植物的熱輻射散失，將霜凍地的濕冷空氣化解成水，釋放一定的熱量，提升周?chē)h(huán)境溫度[16]，化解霜凍的危害，降低損失。防冰雹裝置需要STA模式提前獲取天氣預(yù)報(bào)，當(dāng)檢測(cè)到與冰雹歷史天氣數(shù)據(jù)一致時(shí)，用戶端提前獲得信息，及時(shí)打開(kāi)防冰雹卷網(wǎng)電機(jī)。當(dāng)傳感器DHT11檢測(cè)到冰雹天氣結(jié)束時(shí)，隨即控制卷網(wǎng)電機(jī)反轉(zhuǎn)將防雹網(wǎng)收緊，以免影響到蘋(píng)果正常的光合作用。

5 測(cè)試結(jié)果

延安地區(qū)霜凍天氣一般在4月中旬到5月期間，多發(fā)生在夜間[17]。樣機(jī)測(cè)試在陜西省延安市川口鄉(xiāng)山地果園進(jìn)行，根據(jù)調(diào)試過(guò)程及夜間逆溫效應(yīng)得出風(fēng)扇的安裝高度應(yīng)為6.5 m，角度為俯角25°，安裝數(shù)量為每1 500 m2果園4個(gè)風(fēng)扇[18]。設(shè)置啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)和防凍窖點(diǎn)火閾值分別為4 ℃和0 ℃。表1為2020年4月22日霜凍天氣的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 防霜凍裝置測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)檢測(cè)到裝置溫度在結(jié)霜溫度4 ℃及以下時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)，繼續(xù)檢測(cè)溫度降至0 ℃及以下時(shí)，啟動(dòng)防凍窖的點(diǎn)火裝置。在裝置檢測(cè)到溫度未達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)不采取任何措施。系統(tǒng)裝置對(duì)于不同的溫度能及時(shí)采取相應(yīng)的措施，有效避免了霜凍天氣對(duì)果樹(shù)的危害，基本達(dá)到防霜凍的設(shè)計(jì)目的，與傳統(tǒng)方法相比更加智能、快捷。

延安地區(qū)冰雹一般發(fā)生在夏季，一天中的降雹時(shí)間70%集中在13時(shí)～19時(shí)，在14時(shí)～16時(shí)之間發(fā)生概率最大[19]。2020年5月25日下午，該果園遇到冰雹災(zāi)害。實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，樣機(jī)可以提前20 min向用戶手機(jī)端發(fā)出預(yù)警，控制防雹網(wǎng)在2 min內(nèi)全部展開(kāi)。冰雹結(jié)束后，可快速收回防雹網(wǎng)。裝置能及時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉裝置，各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)都達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以STM32F417IGT6芯片為核心的實(shí)時(shí)蘋(píng)果災(zāi)害智能防護(hù)系統(tǒng)，將防冰雹、 防霜凍功能綜合設(shè)計(jì)，系統(tǒng)對(duì)外界天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和比對(duì)并進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警和反饋，使得用戶可以根據(jù)天氣情況做出相應(yīng)的措施，基本滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。后續(xù)仍需在風(fēng)扇電機(jī)、卷網(wǎng)電機(jī)的功率選擇、煙霧燃燒系統(tǒng)和放熱反應(yīng)裝置的精確控制以及裝置的果園布點(diǎn)方面做進(jìn)一步研究，以便進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化和應(yīng)用推廣。