基于STM32的設(shè)施番茄智能滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許燕萍 陳磊 朱輝 周東臣

在水資源匱乏的背景下,溫室蔬菜的種植中廣泛應(yīng)用滴灌為主的節(jié)水灌溉技術(shù)。本文闡述了智能滴灌系統(tǒng)的原理,介紹了主要硬件模塊設(shè)計(jì)。

0 概述

在水資源匱乏的背景下,溫室蔬菜的種植中廣泛應(yīng)用滴灌為主的節(jié)水灌溉技術(shù),提高了水份利用效率,提高了溫室蔬菜的產(chǎn)量及品質(zhì)。在番茄的苗期、開(kāi)花坐果期和成熟采摘期合理的控制土壤水份,使光合產(chǎn)物向有利于產(chǎn)量的方向發(fā)展。設(shè)計(jì)一套基于STM32的設(shè)施番茄智能滴灌控制系統(tǒng),能夠測(cè)量土壤的溫度、濕度、光照強(qiáng)度,遠(yuǎn)程控制,避免了水資源的浪費(fèi),節(jié)省了人力資源投入[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

本系統(tǒng)需要考慮一下幾方面的內(nèi)容:

(1)保證系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后依然能正常工作,且掉電數(shù)據(jù)不丟失。

(2)系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集傳感器信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸,上位機(jī)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)顯示下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)。

(3)實(shí)時(shí)性要好,當(dāng)傳感器檢測(cè)模塊檢測(cè)到外部環(huán)境缺水時(shí)系統(tǒng)能夠立即打開(kāi)電磁閥門(mén),對(duì)設(shè)施番茄進(jìn)行滴灌。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示,為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器和土壤溫度傳感器組成環(huán)境采集模塊,STM32對(duì)三個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,控制電磁閥開(kāi)啟,同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee模塊或者RS485模塊傳輸給上位機(jī),用戶(hù)可以在上位機(jī)觀察下位機(jī)的數(shù)據(jù),并能通過(guò)上位機(jī)控制滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32簡(jiǎn)介

STM32是ST公司開(kāi)發(fā)的32位的微控制器,是基于Cortex-M3內(nèi)核的MCU。本系統(tǒng)選用的型號(hào)為STM32F 103VET6,最大工作頻率為72MHz,具有256KB～512KB的Flash存儲(chǔ)空間,有三種低功耗模式分別是睡眠、停止和待機(jī)。最多有112個(gè)快速I(mǎi)/O口,11個(gè)定時(shí)器,多達(dá)13個(gè)通信接口,2個(gè)12bit D-A轉(zhuǎn)換器和3個(gè)12bitA-D轉(zhuǎn)換器。

越來(lái)越多的電子產(chǎn)品使用STM32微控制器作為主控的解決方案,涵蓋智能硬件、智慧城市、智能家居、智慧工業(yè)、智能駕駛等領(lǐng)域[2]。

2.2 RS485模塊

RS-485是一種工業(yè)控制環(huán)境中常用的通訊協(xié)議,它具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。RS-485通訊協(xié)議由RS-232協(xié)議改進(jìn)而來(lái),協(xié)議層不變,只是改進(jìn)了物理層,因而保留了串口通訊協(xié)議應(yīng)用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸距離可達(dá)1200m,總線上可掛載128個(gè)通訊節(jié)點(diǎn),而由于RS-485網(wǎng)絡(luò)只有一對(duì)差分信號(hào)線,它使用差分信號(hào)來(lái)表達(dá)邏輯,當(dāng)AB兩線間的電壓差為-6V～-2V時(shí)表示邏輯1,當(dāng)電壓差為+2V～+6V表示邏輯0,在同一時(shí)刻只能表達(dá)一個(gè)信號(hào),它的通訊是半雙工形式的[3]。

如圖2所示為RS485模塊電路圖。電阻R2為終端匹配電阻,阻值為120歐姆。R1和R3為偏置電阻,確保在靜默狀態(tài)時(shí)RS-485總線維持邏輯1高電平狀態(tài)。RO和DI分別為數(shù)據(jù)接收與發(fā)送引腳,用于連接MCU的USART外設(shè)。RE和DE分別為接收使能和發(fā)送使能引腳,與MCU的GPIO引腳相連。A,B兩端用于連接RS-485總線上的其他設(shè)備。表1為功能引腳描述。

圖2 RS485模塊電路Fig.2 RS485 module circuit

表1 RS-485收發(fā)器芯片的引腳功能描述Tab.1 Pin function description of RS-485 transceiver chip

2.3 電磁閥模塊

如圖3為電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊電路。電磁閥是由STM32F 103VET6通過(guò)繼電器來(lái)間接控制。圖中817C為光電耦合器,1,2腳是控制端,內(nèi)部是一個(gè)發(fā)光二極管,3,4腳是受控端,內(nèi)部是一個(gè)光敏三極管。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線,受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流,從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。繼電器的COM端接系統(tǒng)電源,常開(kāi)端NO接電磁閥的電源輸入。當(dāng)STM32F103VET6輸出1高電平,COM端和NO端吸合,系統(tǒng)電源為電磁閥供電,實(shí)現(xiàn)滴灌功能,當(dāng)STM32F103VET6輸出0低電平,COM端和NO端斷開(kāi),電磁閥得不到供電,實(shí)現(xiàn)停止滴灌。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊Fig.3 Solenoid valve drive module

2.4 傳感器采集模塊

土壤的溫濕度對(duì)于本滴灌系統(tǒng)是一個(gè)重要的參數(shù),因?yàn)榈喂嗔亢偷喂嗟臅r(shí)機(jī)都是根據(jù)土壤的溫濕度信息得來(lái)的。本系統(tǒng)采用的土壤溫濕度傳感器如圖4所示?？砷L(zhǎng)期埋入土壤中,耐長(zhǎng)期電解、耐腐蝕,傳感器防護(hù)等級(jí)IP68,可以將傳感器整個(gè)泡在水中。溫度測(cè)量范圍-40℃～80℃,精度±0.5℃,濕度測(cè)量范圍0%RH～100%RH,精度±3%。選定合適的測(cè)量地點(diǎn),避開(kāi)石塊,確保鋼針不會(huì)碰到堅(jiān)硬的物體,按照所需測(cè)量深度拋開(kāi)表層土,保持下面土壤原有的松緊程度,緊握傳感器垂直插入土壤,插入時(shí)不可左右晃動(dòng),鋼針必須全部插入土壤中,一個(gè)測(cè)點(diǎn)的小范圍內(nèi)可多次測(cè)量求平均值。避免強(qiáng)烈陽(yáng)光直射到傳感器上而導(dǎo)致溫度過(guò)高。

圖4 土壤溫濕度傳感器Fig.4 Soil temperature and humidity sensor

本系統(tǒng)中的光照強(qiáng)度傳感器采用的是ROHM的BH1750FVI數(shù)字光照傳感器模塊,光照強(qiáng)度范圍為:0-65535lx,傳感器內(nèi)置16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器,直接數(shù)字輸出,可以省略復(fù)雜計(jì)算,內(nèi)容包含通信電平轉(zhuǎn)換,與STM32連接,光照強(qiáng)度傳感器電路接口如圖5所示,其中P4是光照強(qiáng)度傳感器的接口端子,1腳和3.3V電源相連接,4腳和GND相連接,2腳是時(shí)鐘引腳,3腳是數(shù)據(jù)引腳,5腳是IIC設(shè)備地址引腳。

圖5 光照度傳感器電路接口Fig.5 Circuit interface of illuminance sensor

3 結(jié)語(yǔ)

以STM2為控制核心的智能滴灌系統(tǒng),可以應(yīng)用于設(shè)施番茄、草莓等種植,可以節(jié)約水資源,并能夠根據(jù)作物在不同時(shí)期的需水量進(jìn)行滴灌促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)。

引用

[1] 鄭志建.基于STM32的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)研發(fā)[D].海爾濱:黑龍江大學(xué),2018.

[2] 張崇禮.基于STM32的遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)[D].秦皇島:燕山大學(xué),2017.

[3] 劉浩.溫室番茄需水規(guī)律與優(yōu)質(zhì)高校灌溉指標(biāo)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2010.