基于STM32 的智能盆栽澆灌器設(shè)計(jì)

過琦芳 馬國智 李夢晴 顧展展

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們在家中、辦公室放置一些盆栽植物成為一種時(shí)尚。這樣做不僅起到美化環(huán)境、凈化空氣的作用，而且可以達(dá)到陶冶情操、愉悅身心的目的。筆者結(jié)合家庭盆栽因不可控因素疏于打理的現(xiàn)實(shí)及期望盆栽植物健康生長的需求，設(shè)計(jì)了一款由感知模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊、Wi-Fi無線通信模塊及微控制器模塊構(gòu)成的智能盆栽澆灌器。該澆灌器通過土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤濕度信息，并由STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出控制命令，從而控制水泵的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌的目的。傳感器數(shù)據(jù)可通過Wi-Fi 模塊發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，使得在線監(jiān)測和云端控制成為可能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由主控模塊、傳感器采集模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、水泵控制模塊、Wi-Fi 無線通信模塊及報(bào)警模塊等組成，其中主控芯片采用STM32F103 微控制器。智能澆灌器總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤的濕度信息，通過AD 轉(zhuǎn)換直接傳給STM32 微控制器；STM32 微控制器通過與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)采集值小于設(shè)定的下限值時(shí)， STM32 微控制器按照預(yù)定的控制機(jī)制發(fā)出控制命令，控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行澆水。當(dāng)實(shí)時(shí)采集的土壤濕度值大于設(shè)定的上限值時(shí)，STM32 微控制器發(fā)出控制指令讓水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，停止?jié)菜?。水位傳感器主要檢測儲(chǔ)水箱的水位，實(shí)現(xiàn)水位過低時(shí)自動(dòng)報(bào)警的功能。傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 模塊直接上傳至云平臺(tái)，用戶可在線查看傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)置閾值，手動(dòng)遠(yuǎn)程控制澆灌設(shè)備。

圖1 智能澆灌器總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

微控制器是該澆灌器的控制核心，此系統(tǒng)采用STM32F103C8 作為主控芯片。該芯片是意法半導(dǎo)體有限公司出品的一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位的微控制器，具有64 kB 的閃存容量，工作電壓為2.0 ～3.6 V。與8 位的51 單片機(jī)相比，其性能好，完全可以滿足該系統(tǒng)的控制要求。

2.2 土壤濕度檢測電路

土壤濕度傳感器用來檢測土壤的水分含量。該系統(tǒng)采用YL69 土壤濕度傳感器。該傳感器感應(yīng)面積大，耐腐蝕性好，具有良好的導(dǎo)電性能，使用壽命長。而且該傳感器既可以輸出數(shù)字量信號(hào)，也可以輸出模擬量信號(hào)，可以通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)閾值，實(shí)現(xiàn)對土壤濕度的寬范圍控制，可以自動(dòng)對盆栽進(jìn)行澆水。將土壤濕度傳感器與STM32 的PA12 引腳相連，實(shí)現(xiàn)對土壤濕度的檢測。

2.3 水位報(bào)警電路

水位檢測采用電阻式液位傳感器，其利用具有一系列暴露的平行導(dǎo)線線跡測量液位從而判斷水位，輸出的模擬值由STM32 微控制器的ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換并讀取。水位傳感器與STM32 的PA13 引腳相連，當(dāng)儲(chǔ)水箱水位異常時(shí)，由STM32 單片機(jī)發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2.4 水泵控制電路

此系統(tǒng)由繼電器充當(dāng)水泵開關(guān)控制水泵出水。繼電器是用小電流控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”，通常用于自動(dòng)控制電路中，因此，可以將其作為自動(dòng)澆灌器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。為了保證水泵的正常工作，需要給水泵單獨(dú)進(jìn)行供電。將繼電器和STM32的PA11 引腳相連，STM32 單片機(jī)根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值比較結(jié)果發(fā)出控制命令，控制繼電器的吸合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。水泵控制電路如圖2 所示。

圖2 水泵控制電路

2.5 Wi-Fi 通信電路

Wi-Fi 通信模塊選用ESP8266 芯片。該芯片最大的特點(diǎn)是性價(jià)比高，具有強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，高度片內(nèi)集成，僅需很少的外部電路就可以實(shí)現(xiàn)完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)解決方案。而且該芯片支持AT 指令設(shè)置大部分參數(shù)，同時(shí)能被設(shè)置為透傳模式，這樣ESP8266 就相當(dāng)于是在互聯(lián)網(wǎng)和UART 之間有了通信橋梁。ESP8266 Wi-Fi 模塊與STM32 單片機(jī)的串口2 相連，實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的通信。ESP8266 接口電路如圖3 所示。

圖3 ESP8266 接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件采用“STM32CubeMX+MDK-ARM”的開發(fā)工具組合進(jìn)行開發(fā)，使用C 語言編寫程序。整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)初始化子程序、按鍵子程序、數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)子程序、數(shù)據(jù)處理子程序及繼電器控制子程序等部分，系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示。系統(tǒng)初始化完成后，可以通過按鍵手動(dòng)設(shè)置土壤濕度的上、下限值，然后土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤的濕度值并發(fā)送給微控制器，微控制器將實(shí)時(shí)采集的土壤濕度值與設(shè)定的閾值相比較，判斷是否需要澆水。當(dāng)土壤濕度低于預(yù)設(shè)的下限值時(shí)，微控制器發(fā)出控制命令啟動(dòng)水泵開始抽水，以增加土壤濕度；在抽水過程中不斷檢測濕度值，一旦到達(dá)預(yù)設(shè)的濕度上限值時(shí)，則關(guān)閉水泵電路，停止?jié)菜?/p>

圖4 系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)語

筆者基于STM32 微控制器設(shè)計(jì)了一款針對盆栽的智能澆灌器。該澆灌器通過土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤濕度數(shù)據(jù)，微控制器將采集數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較分析并發(fā)出控制指令，控制水泵的開啟與關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)按需按量智能澆花。同時(shí)，該系統(tǒng)具備水位過低報(bào)警功能及遠(yuǎn)程手動(dòng)控制功能。該澆灌器很好地解決了人們由于工作繁忙或長時(shí)間外出導(dǎo)致花卉盆栽無人看護(hù)的問題。經(jīng)過模擬測試，該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測及自動(dòng)澆水等功能。