基于STM32的智能種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬 雷 何丹丹

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院 河南平頂山 467000）

1 引言

根據(jù)調(diào)查走訪，我國(guó)大多數(shù)農(nóng)業(yè)田間管理依托人工來實(shí)現(xiàn)，在信息化迅速發(fā)展的今天，這樣無疑是對(duì)資源的一種浪費(fèi)，同時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率也未能得到提升。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱，也要讓先進(jìn)技術(shù)反哺農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化管理。

國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究起步較早，在上個(gè)世紀(jì)七十年代初，西方發(fā)達(dá)國(guó)家就開始了農(nóng)業(yè)信息化的研究，其研究集成了信息技術(shù)、模型優(yōu)化、智能控制等技術(shù)[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速進(jìn)步，人們對(duì)種植的管理逐漸趨于自動(dòng)化和集成化，如環(huán)境信息的檢測(cè)、不同作物的精準(zhǔn)施肥灌溉、田地的分布信息等[2]。

國(guó)內(nèi)雖在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展迅猛。自上世紀(jì)八十年代始，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專家就開始關(guān)注并自行研發(fā)農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)[3]。時(shí)至今日，我國(guó)也在農(nóng)業(yè)信息化的浪潮中逐漸站穩(wěn)了腳跟，但仍存在成本較高的問題[4]。針對(duì)這一需求，本文提出了一款成本較低的STM32智能種植系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本設(shè)計(jì)的主要需求是通過傳感器技術(shù)與智能控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的環(huán)境數(shù)據(jù)控制和檢測(cè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，其主要功能包括：

（1）環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)，通過傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境參量進(jìn)行檢測(cè)。

（2）執(zhí)行種植灌溉，通過中央處理器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，決定是否執(zhí)行灌溉，以此將種植環(huán)境數(shù)據(jù)維持在最適宜作物生長(zhǎng)的范圍。

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過GSM無線通信技術(shù)將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)端。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板作為主控，外設(shè)主要由BH1750光照傳感器、DHT11溫濕度傳感器、步進(jìn)電機(jī)和YL-69濕度傳感器、GSM無線模塊。驅(qū)動(dòng)各種傳感器模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器，處理器做出相應(yīng)的處理和控制之后將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶手機(jī)端。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 主控單元

STM32F103系列芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，其性能強(qiáng)勁、功耗低、能夠非常快速地響應(yīng)中斷，能夠在相同的工作頻率下處理更多的任務(wù)。且相比于51系列單片機(jī)，有更加豐富的I/O接口資源，可移植性更高[5]。

智能種植系統(tǒng)采用 STM32F103C8T6基本 32位嵌入式微處理器作為中央處理器。該芯片有SPI、I2C、AD等多種接口，無需外接搭橋。自帶多種功能電路，如晶振電路、電源電路、復(fù)位電路等。可使用2.0-5.0V電壓直接供電，十分契合本系統(tǒng)。

3.2 土壤濕度模塊

檢測(cè)土壤濕度，首先要考慮的是設(shè)備的使用壽命，本設(shè)計(jì)通過YL-69型鍍鎳濕度傳感器，擴(kuò)大了傳感范圍，提高了導(dǎo)電率[6]。該模塊成本較低，傳感器探頭直接插入土壤使用，其暴露的外殼可以采用純環(huán)氧樹脂膠體進(jìn)行密封，這樣使設(shè)備更加穩(wěn)定。該模塊的電路圖如圖2所示。

圖2 土壤濕度模塊電路

3.3 溫濕度模塊

空氣溫濕度是農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境參量，本系統(tǒng)采用 DHT11來檢測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)。相比于其它傳感器，DHT11更為穩(wěn)定。模塊的工作電壓為3.3～5.0V，測(cè)量溫度范圍為 0～50℃，濕度為20%～90%，采樣間隔最短為1秒，可適用于多種種植環(huán)境[7]。設(shè)備使用單總線進(jìn)行輸入輸出，節(jié)約了主控芯片的接口資源；閑置的時(shí)候需要將總線置為高電平，可通過連接上拉電阻來實(shí)現(xiàn)，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 空氣溫濕度模塊電路

3.4 光照強(qiáng)度模塊

BH1750使用I2C接口，可以得到模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。相比于普通的光敏電阻，它的內(nèi)部多了數(shù)據(jù)處理單元，因此無需復(fù)雜的修正算法，只需要簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)濾波即可直接得到修正之后的準(zhǔn)確環(huán)境數(shù)據(jù)。它的靈敏度相對(duì)光敏電阻也更高，受其余光譜影響較小[8]，功耗低；支持 I2CBUS接口，工作電壓為1.8～5V，其電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 光照強(qiáng)度檢測(cè)電路

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該電機(jī)模塊與土壤濕度傳感器模塊搭配使用，其主要作用是對(duì)種植環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)，主要參考數(shù)據(jù)為土壤濕度。當(dāng)種植環(huán)境中土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定下閾值，則打開電機(jī)，通過小電流驅(qū)動(dòng)大電流的方式來操控水泵，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，而當(dāng)土壤濕度高于預(yù)先設(shè)定上閾值，關(guān)閉水泵。該模塊工作電壓為5V，其成本較低，性能良好，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

3.6 無線通信模塊

GSM 技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，它發(fā)展時(shí)間較早，穩(wěn)定性強(qiáng)、普及度較高，其信道可以在全球無死角覆蓋[9]。相比于APP，簡(jiǎn)單的手機(jī)短信操作更方便農(nóng)民進(jìn)行操作。為了方便信息接收，該系統(tǒng)采用了 SIMCom企業(yè)研發(fā)的SIM800C，其主要通過 AT指令進(jìn)行控制，工作電壓為5.0V，使用串行接口與主控芯片進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)高速率傳輸[10]。該模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 無線通信模塊電路

3.7 電源模塊

在智能種植系統(tǒng)中，設(shè)備通過USB接口供電，USB輸出電壓為 5V，該電壓適用于電機(jī)模塊和通信模塊，且經(jīng)過降壓芯片進(jìn)行降壓，經(jīng)過降壓可以將5V轉(zhuǎn)化為3.3V，為主控芯片和其余外設(shè)模塊供電。電源模塊電路如圖7所示。

圖7 電源模塊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

4.1 中央處理系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

作為系統(tǒng)的主控，STM32F103C8T6處理器相關(guān)于人的大腦，是整個(gè)系統(tǒng)中最為重要的部件。它不僅要接收處理傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳并在特定的條件下進(jìn)行調(diào)控，以保證種植環(huán)境最適宜作物生長(zhǎng)。中央處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 STM32主控軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.2 傳感器檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度都是重要環(huán)境參量。在智能種植系統(tǒng)中，為了避免數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤濕度采樣間隔為 1s，每采樣獲得的十次數(shù)據(jù)求和取平均值，獲得修正后的數(shù)據(jù)。傳感器檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 傳感器檢測(cè)設(shè)計(jì)流程圖

4.3 電機(jī)調(diào)控子程序設(shè)計(jì)

電機(jī)模塊要與YL-69土壤濕度傳感器搭配使用，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，常見農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳土壤濕度為17%～44%RH。為了校準(zhǔn)檢測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)的誤差，本系統(tǒng)將土壤濕度下閾值設(shè)定為20%RH，上閾值為40%RH。若土壤濕度低于下閾值，則打開電機(jī)，這個(gè)過程中若高于上閾值，關(guān)閉電機(jī)。軟件流程圖如圖10所示。

圖10 調(diào)控軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.4 無線通信子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，通過AT指令讓GSM短信模塊實(shí)現(xiàn)各種功能操作，然后將接收到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過處理通過GSM模塊發(fā)送到用戶手機(jī)端，GSM無線軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示。

圖11 GSM無線軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

為判斷該設(shè)計(jì)是否能正常工作，此次系統(tǒng)測(cè)試將設(shè)備安置在種植環(huán)境進(jìn)行。將設(shè)備接入電源，將土壤濕度傳感器安置在農(nóng)田中，其余傳感器暴露在空氣中[11]，將電機(jī)接入水泵電路，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行來判斷傳感器、電機(jī)和通信是否能正常工作。用戶手機(jī)端收到的短信如圖12所示。測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸正常，無線通信接受正常，該設(shè)備符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖12 用戶手機(jī)端短信界面

5 結(jié)語

以STM32F103C8T6為核心主控，搭配BH1750光照傳感器、DHT11溫濕度傳感器、YL-69濕度傳感器、GSM無線通信模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的智能種植系統(tǒng)，集傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、無線通信技術(shù)于一體，可靠性較高，成本較低，很好地實(shí)現(xiàn)了種植環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。