基于STM32F417IGT6的蘋果災害智能防護系統(tǒng)設計

李蓓茹,楊延寧,2,王 凱,張健鵬,鄒 彬

(1.延安大學 物理與電子信息學院,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實驗室,陜西 延安 716000)

因為所處環(huán)境晝夜溫差大且光照充足，山地蘋果的品質優(yōu)良，深受消費者喜愛。但山地地形復雜，溝壑縱橫，山坳處通風不暢，春季易發(fā)生霜凍，夏季又因為氣流對流嚴重[1]，導致冰雹天氣頻繁發(fā)生。霜凍和冰雹天氣給蘋果的生長及產(chǎn)量造成了極大的損害[2]。目前果園里用來防霜凍和防冰雹的措施主要是防凍窖坑燒柴禾法和簡易防雹網(wǎng)，這些措施在一定程度上可以減少霜凍、冰雹災害對蘋果生長的影響，但也存在著很多問題，例如防凍窖里的點火與滅火時間完全依賴人工判斷，不能被精確控制；簡易防雹網(wǎng)屬于固定模式，長期搭建在果樹上方影響果實生長[3]，長期日曬雨淋降低了使用壽命，并且安裝拆卸費時費力，這些都增加了蘋果生產(chǎn)的成本。因此，有必要開發(fā)一種智能防霜凍和防冰雹裝置系統(tǒng)，使其可以在霜凍、冰雹天氣來臨時提前向用戶的手機客戶端發(fā)出指令并啟動裝置，以便有效防止災害天氣對果樹生長的影響，提高蘋果的質量與產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)以STM32F417IGT6單片機為主控芯片，總體設計可分為4個模塊，分別是DHT11傳感器模塊、遠程操控模塊、L298N電機驅動模塊和無線通信模塊。DHT11溫濕度傳感器負責收集近地面氣溫變化，其與單片機STM32F417IGT6的I/O端口相連接來獲得溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度數(shù)據(jù)信息決定是否啟動L298N電機模塊。系統(tǒng)在通信過程中主要依靠ESP8266串口連接進行無線通信，在春季果園溫度低于4 ℃(結霜溫度)時，及時向用戶手機APP發(fā)出警報，打開防霜凍風扇電機，利用冷熱空氣的梯度分布原理，通過風扇轉動將果樹上方的熱空氣輸運到樹體上達到防霜凍的目的；當溫度低至0 ℃時，向用戶手機APP發(fā)出警報并自啟點火裝置，提高樹體周圍環(huán)境溫度，減少霜凍天氣帶來的危害。點火器采用DC12 V供電的雙針接法點火器。防冰雹電路采用ESP8266串口無線模塊技術和STM32F417IGT6單片機控制技術實時監(jiān)視冰雹天氣。手機客戶端與智能防冰雹裝置無線連接，將天氣信息反饋給用戶。冰雹天氣時，啟動防冰雹裝置打開防雹網(wǎng)；冰雹結束時，自動收起防雹網(wǎng)。蘋果災害防治系統(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)硬件設計

系統(tǒng)采用由意法半導體公司生產(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，最高工作頻率為168 MHz，在信號和浮點運算上具有很強的處理能力[5]。系統(tǒng)以STM32F417IGT6為核心芯片來集成各個模塊，將硬件設計分為電機驅動、數(shù)據(jù)采集和無線通信3個主要模塊，其中電機驅動模塊包括防冰雹卷網(wǎng)電機的設計和防霜凍風扇電機的設計，通過各模塊電路設計來完成總體的硬件設計。

圖2 STM32F417IGT6芯片原理圖

2.1 電機驅動模塊

電機驅動模塊L298N是SGS公司生產(chǎn)的直流電機驅動集成電路[6-7]。L298N由主控芯片STM32F417IGT6的PWM輸出，通過控制輸出波形的占空比來控制電動機的速度，進而控制防冰雹卷網(wǎng)電機1和防霜凍風扇電機2。圖3為電機驅動模塊原理圖。

圖3 電機驅動模塊

主控芯片STM32F417IGT6與電機驅動模塊的連接通過使能ENA和ENB之后，從IN1和IN2輸入PWM信號驅動電機1的轉速和方向，從IN3和IN4輸入PWM信號驅動電機2的轉速和方向。卷網(wǎng)電機運行時，當IN1=1、IN2=0時，電機正轉達到卷網(wǎng)功能；IN1=0、IN2=1時，電機反轉達到收網(wǎng)功能；IN1=1、IN2=1或IN1=0、IN2=0時，電機停止運動。風扇電機運行時，IN3=1、IN4=0或IN3=0、IN4=1控制風扇轉動；IN3=1、IN4=1或IN3=0、IN4=0時電機停止運動[8]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)字溫濕度DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專有的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性[9]。傳感器DHT11利用單根總線與單片機STM32F417IGT6進行雙向的串行數(shù)據(jù)分析，有嚴格的時序，信號傳輸距離可到20 m以上，符合系統(tǒng)設計要求[10]。系統(tǒng)設計中將傳感器DHT11與單片機的I/O端口相連接，將采集到的果樹周圍溫濕度信息以數(shù)字形式傳送給單片機，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit。

2.3 無線通信模塊

ESP8266系列模組是安信可(Ai-Thinker)公司采用樂鑫ESP8266芯片開發(fā)的一系列WiFi 模組模塊[11]，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號， 其模塊原理如圖4所示。單片機STM32F417IGT6通過WiFi模塊ESP8266中的RS232協(xié)議進行串口通信[12]。WiFi模塊的硬件連接為TX連接RX，VCC連接3.3 V，GND連接GND，用CH_PD連接3.3 V選擇串口號對模塊進行配置，將模塊配置成多連接模式。通過ESP8266連接互聯(lián)網(wǎng)并通過SmartWeatherAPI接口獲取天氣信息并進行數(shù)據(jù)解析[13]，為防霜凍和防冰雹裝置啟動服務。

圖4 ESP8266模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

STM32F417IGT6單片機程序采用Keil MDK進行集成開發(fā)環(huán)境的開發(fā)[14-15]，系統(tǒng)主要由防冰雹模塊和防霜凍模塊兩個程序構成。首先對單片機進行初始化，STA模式提前獲取天氣預報，傳感器DHT11實時采集外界溫度信息，對不同的天氣數(shù)據(jù)進行對比。當檢測到的數(shù)據(jù)與冰雹天氣數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相一致時，裝置對手機客戶端發(fā)出預警并采取相應的措施。冰雹天氣時，用戶使用手機客戶端控制防冰雹卷網(wǎng)電機的收縮，減少冰雹帶來的災害，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風扇電機，溫度降至4 ℃時，啟動電機，風扇電機可將高空較暖的空氣吹向地面。溫度降至0 ℃時，啟動點火裝置點燃防凍窖，釋放熱量，提高果樹周圍環(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，編譯結果正確則使用該程序，編譯結果有誤根據(jù)提示更改程序直到運行結果正確。硬件調試需要檢查單片機STM32F417IGT6的最小系統(tǒng)和各硬件電路供電是否正常，無誤后進行軟件調試。將傳感器DHT11與單片機的I/O端口相連接，通過One-Wire模式同行獲得溫濕度數(shù)據(jù)。單片機STM32F417IGT6與WiFi模塊ESP8266的輸入輸出串口相連接，通過SmartWeatherAPI接口獲取天氣信息并進行解析。利用ESP8266模塊的RS232協(xié)議進行通信，用戶便可通過手機APP發(fā)出對系統(tǒng)裝置的控制指令。對霜凍天氣在程序編寫時設定兩個溫度閾值，傳感器持續(xù)檢測外界溫度。當檢測到溫度低于4 ℃時，防霜凍風扇開始轉動；當溫度低于0 ℃時，點燃防凍窖的柴禾，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，提升周圍環(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報，當檢測到與冰雹歷史天氣數(shù)據(jù)一致時，用戶端提前獲得信息，及時打開防冰雹卷網(wǎng)電機。當傳感器DHT11檢測到冰雹天氣結束時，隨即控制卷網(wǎng)電機反轉將防雹網(wǎng)收緊，以免影響到蘋果正常的光合作用。

5 測試結果

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]。樣機測試在陜西省延安市川口鄉(xiāng)山地果園進行，根據(jù)調試過程及夜間逆溫效應得出風扇的安裝高度應為6.5 m，角度為俯角25°，安裝數(shù)量為每1 500 m2果園4個風扇[18]。設置啟動風扇電機和防凍窖點火閾值分別為4 ℃和0 ℃。表1為2020年4月22日霜凍天氣的測試數(shù)據(jù)。

表1 防霜凍裝置測試結果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)檢測到裝置溫度在結霜溫度4 ℃及以下時，啟動風扇電機，繼續(xù)檢測溫度降至0 ℃及以下時，啟動防凍窖的點火裝置。在裝置檢測到溫度未達到設定閾值時不采取任何措施。系統(tǒng)裝置對于不同的溫度能及時采取相應的措施，有效避免了霜凍天氣對果樹的危害，基本達到防霜凍的設計目的，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，一天中的降雹時間70%集中在13時～19時，在14時～16時之間發(fā)生概率最大[19]。2020年5月25日下午，該果園遇到冰雹災害。實地測試結果表明，樣機可以提前20 min向用戶手機端發(fā)出預警，控制防雹網(wǎng)在2 min內全部展開。冰雹結束后，可快速收回防雹網(wǎng)。裝置能及時啟動和關閉裝置，各項測試參數(shù)都達到了設計指標。

6 結束語

本文設計了一種以STM32F417IGT6芯片為核心的實時蘋果災害智能防護系統(tǒng)，將防冰雹、 防霜凍功能綜合設計，系統(tǒng)對外界天氣數(shù)據(jù)進行收集和比對并進行及時的預警和反饋，使得用戶可以根據(jù)天氣情況做出相應的措施，基本滿足了系統(tǒng)設計的要求。后續(xù)仍需在風扇電機、卷網(wǎng)電機的功率選擇、煙霧燃燒系統(tǒng)和放熱反應裝置的精確控制以及裝置的果園布點方面做進一步研究，以便進行系統(tǒng)的優(yōu)化和應用推廣。