基于STM32溫室大棚冷凝水回收利用控制系統(tǒng)設計

趙麗麗 閆永昌

（1.赤峰學院 內蒙古自治區(qū)赤峰市 024000 2.赤峰市區(qū)域經濟合作局 內蒙古自治區(qū)赤峰市 024000）

1 研究背景

我國作為農業(yè)大國，農業(yè)用水量占總用水量的60%以上，但是我國淡水資源的總量僅為2.7×10億立方米，僅占全球水資源6%。因此農業(yè)用水缺乏，嚴重制約我國農業(yè)發(fā)展。2020年，全國耕地實際灌溉畝均用水量356 立方米，農田灌溉水有效利用率僅為0.565。主要原因為一方面農民節(jié)水灌溉意識落后，另一方面節(jié)水灌溉設施發(fā)展尚不完善，導致水資源浪費，水資源利用效率低下?；诖藢で笕绾胃咝аh(huán)利用農業(yè)用水的方案，加強水資源管理將對緩解農業(yè)困境做出巨大貢獻。研究統(tǒng)計顯示溫室大棚內植物蒸騰作用散失水分高達植物用水量的50-60%，如果能將這部分水重回收利用，將大大節(jié)約溫室大棚農作物用水，從而緩解農業(yè)用水壓力。盡管目前溫室大棚技術在不斷的革新，采用膜下滴灌和重力滴灌、噴灌技術、滲灌技術等科學手段改善灌溉技術節(jié)約水資源，仍然無法緩解日益加重的農業(yè)用水供需矛盾。因此為增加溫室大棚水資源回收利用尋求新的解決方案將對提高水資源利用及水資源可持續(xù)利用提供新的啟發(fā)。冷凝水回收利用不僅提高水資源利用，節(jié)能環(huán)保，還可以帶來巨大收益。雖然冷凝水回收利用已在空調冷凝水，燃煤鍋爐電廠等方面已經得到充分證明，但是目前對于溫室大棚冷凝水回收利用研究及人工智能灌溉仍未成熟需要進一步完善。因此開發(fā)溫室大棚冷凝水回收利用智能裝置并投入市場將為解決溫室大棚水資源重新利用具有重要意義。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 研究內容

溫室大棚冷凝水系統(tǒng)設計研究內容主要秉承著綠色發(fā)展理念，以高效提高水資源利用，節(jié)能環(huán)保為核心，主要以溫室大棚冷凝水回收并重復利用為目的,設計出一套自動化智能冷凝水回收接入灌溉系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設計

溫室大棚冷凝水回收系統(tǒng)由五個模塊組成：濕度傳感器模塊、抽風系統(tǒng)模塊、冷凝器裝置模塊、水系統(tǒng)處理模塊、接入灌溉新系統(tǒng)。系統(tǒng)選用單片機為主控原件，冷凝器裝置為冷凝水回收核心，利用溫濕度傳感器收集溫室大棚內部環(huán)境的濕熱空氣數(shù)據(jù)，并通過OLED 顯示器實時顯示采集的濕度環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用Wi-Fi 模塊與手機端的無線遠程通信，使所測大棚環(huán)境的相關數(shù)據(jù)信息可以在手機上同步顯示，當濕度達到一定數(shù)值時自動運行抽風系統(tǒng)，通過三層冷凝板讓濕熱空氣完成氣液轉換過程，形成冷凝水流入到回收裝置。冷凝水經過雙層過濾材料后進入水檢測系統(tǒng)合格后接入灌溉系統(tǒng)，完成冷凝水回收再利用。

基于冷凝水智能回收的模式，首先我們需要設定適合溫室大棚內種植的農作物最佳生長的溫度和濕度。然后將大棚內溫濕度傳感器采集到的實際溫濕度數(shù)值通過數(shù)據(jù)處理后傳送到單片機，系統(tǒng)會將溫濕度與預先設定的溫濕度上下限進行比較，如果參數(shù)值超過設定的上下限時，蜂鳴器會發(fā)出聲響提示，同時3 個繼電器啟動，開啟抽風系統(tǒng)、冷凝器裝置模塊、水系統(tǒng)處理模塊功能。當溫濕度回到設定的上下限范圍內，單片機主控模塊才會給報警模塊和繼電器發(fā)出停止工作命令。

總體電路圖如圖1所示。

圖1：總體電路圖

總體電路圖以單片機控制器為核心，溫濕度傳感器測量溫室大棚內溫濕度并利用Wi-Fi 無線收集數(shù)據(jù)，根據(jù)溫濕度波動啟動抽風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 電源模塊

電源模塊為冷凝水回收系統(tǒng)裝置正常工作提供保障，本系統(tǒng)工作需要三種不同的電壓為各個模塊提供供電。其中溫濕度傳感器模塊和顯示模塊需要5V 供電電壓。抽風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)等執(zhí)行模塊需要12V 供電電壓。處理器模塊需要3.3V 電壓。我們用充電鋰電池給執(zhí)行模塊進行供電，并利用L7805 芯片將12V 轉換成5V 對溫濕度傳感器進行供電，同時使用AMS1117-3.3 芯片將5V 電壓降為3.3V，為數(shù)據(jù)處理模塊進行供電。在各級電壓處增加電容保證供電穩(wěn)定性。具體電路如圖2所示。

圖2：電源電路圖

利用L7805 芯片將12V 轉換成5V，使用AMS1117-3.3芯片將5V 轉換成3.3V。

3.2 單片機模塊。

本設計項目選擇STM32F103C8T6 單片機芯片作為主控模塊完成對整個溫室大棚系統(tǒng)各個模塊的控制。它是一款基于stm32 系列的32 位微控制器。工作電壓最高3.6V，容量64KB，基于Cortex-M3 內核的嵌入式微處理器芯片，采用了同時擁有獨立32～bit 指令總線和32～bit 數(shù)據(jù)總線的哈佛結構。STM32 在使用時的最小系統(tǒng)應包括晶振電路和復位電路。晶振電路為主控芯片提供系統(tǒng)時鐘。復位電路設置了按鍵復位，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可以利用按鍵進行復位。不含外設控制，原理簡單。時鐘電路該芯片運行穩(wěn)定，能滿足項目運行要求。負責進行信息處理，部分控制啟動。

3.3 Wi-Fi模塊

本設計采用ESP8266 模塊。ESP8266 模塊是目前嵌入式設計所通用的一種 Wi-Fi 無線網絡通信模塊，集成了業(yè)界領先的TensilicL106 超低功耗32 位微MCU，具有16 位縮減模式，主頻支持80MHz 和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。具有UART 接口。通過該模塊進行 Wi-Fi 通信，可以將單片機的串口接入網絡，完成與手機 APP 端之間的通信可通過 Wi-Fi 模塊經手機客戶端顯示，完成系統(tǒng)的連接設計。同時達到控制相應模塊開關的要求。

3.4 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)溫濕度傳感器模塊選用DHT11，是一款復合型溫濕度傳感器，采用了數(shù)字模塊采集技術以及溫濕度傳感器技術，直接輸出數(shù)字信號，可以用來測量外部環(huán)境的溫濕度，此型號傳感器的濕度測量范圍為30%-90%RH，在溫室大棚環(huán)境達到25℃時，濕度測量范圍可達到20%-90%RH，不需要數(shù)模轉換器件。它應用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，讓系統(tǒng)能夠持續(xù)高效地完成對溫濕度信號的采集。DHT11 的優(yōu)點是元件體積小，功耗低，可以遠距離傳輸。使其成為溫室大棚采集數(shù)據(jù)的最佳選擇。

DHT11 實物與引腳說明如圖3所示。電路中MCU 數(shù)據(jù)口連接3pin。由于SDA 數(shù)據(jù)引腳接線長度短于20 米時，用5K 上拉電阻，因此在傳感器和2pin 與電源VDD 之間連接一個小于5K 的電阻。而傳感器的電源端1pin 和4pin 分別接MCU 的VDD 和GND 端，傳感器的3pin 懸空。

圖3：DHT11 應用電路圖

通過在溫室大棚配置相應數(shù)量的溫濕度傳感器，將溫室大棚內各點的濕度值實時傳送回控制系統(tǒng)，無線溫濕度傳感器以電池供電，在工程實施過程中避免大量的通訊線纜、線管、供電線路的鋪設，可根據(jù)溫室大棚的實際情況調整安裝位置，實現(xiàn)智能化采集大棚內精準濕度，使得MCU 根據(jù)濕度值智能化開啟各個繼電器單元。

如圖3，DHT11 供電范圍是3V～5V，SDA 數(shù)據(jù)引腳接線長度短于20 米時，用5K 上拉電阻。VDD，GND 為電源引腳。

3.5 抽風系統(tǒng)

抽風系統(tǒng)我們采用渦旋鼓風機，它采用專用電機，結構緊湊，體積小，重量輕，噪音低，送出氣源無水無油，一般在10KPA 到100KPA 之間。原理是葉輪轉動時，通過離心力的作用，風向標促使氣體向前運動，從而形成一些列螺旋狀運動。我們通過渦旋鼓風機將大棚內的濕熱空氣進行傳至送回收利用裝置。確保濕熱空氣最大限度的回收，減少能耗損失。達到高效回收轉化冷凝水的目的。

3.6 冷凝器裝置模塊

冷凝器裝置有三組冷凝器組成，冷凝器由導熱性能較好的金屬材料制成，以充分利用熱傳遞作用。冷凝器由冷凝面板制冷單元組成，第一種冷凝面板有條形通風孔，第二種冷凝面板由無孔冷凝面板組成，所有的冷凝面板里面都有制冷單元。第一層制冷面板使用條形風孔制冷面板設置成與水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。使得通過抽風系統(tǒng)回收的高溫濕氣通過第一次壓縮機制冷面板發(fā)生液化反應，產生的冷凝水由管道2 回收到水處理系統(tǒng)的集水裝置。第二層制冷面板使用條形風孔制冷面板設置成與水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上，并且與第一個制冷面板設置一定的距離。通過第一層制冷面沒有完全液化的濕熱空氣在遇到第二層壓縮機制冷面板發(fā)生液化反應，產生的冷凝水由管道2 回收到水處理系統(tǒng)的集水裝置。第三個制冷面板使用無孔制冷面板，設置成與水平面呈-30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。第三個制冷面使用無孔制冷面板是為了使得通過第一個制冷面板和第二個制冷面板沒有完全液化的濕熱空氣與第三個制冷面接觸面積大，同時增加濕熱空氣運行的阻力增大，加快冷凝效果，盡量把濕熱空氣完全轉化成冷凝水。通過30 度的斜向下角度液化的冷凝水由導管3 流入到集水裝置?？諝庵械臍怏w通過集水裝置兩側的導氣通道4 排出（如圖4所示）。

圖4：冷凝器裝置平面示意圖

讓抽風系統(tǒng)中的高溫濕氣通過回收裝置的三層壓縮機冷凝熱交換之后，使得高溫濕氣充分液化從而轉換成冷凝水，達到濕熱蒸汽遇冷凝結成冷凝水的過程。

如圖4，冷凝器裝置主要設置于集水槽上方。溫室大棚內濕熱空氣經過第一層有孔冷凝面板后液化為水，經過第二層有孔冷凝面板將剩余濕熱空氣進一步液化為水。第一層和第二層液化后的冷凝水由冷凝水排水管2 排至集水槽，而未充分轉換的濕熱空氣，可通過第三層無孔冷凝面板液化為水并通過排水管3 收集至集水槽?？諝庵械臍怏w通過集水裝置兩側的導氣通道4 排出。

3.7 水系統(tǒng)處理和檢測

冷凝回收的水可能摻雜生物量、異養(yǎng)菌、氨化細菌、亞硝化細菌、硝化細菌、微型動物等雜質。我們把集水槽做成一個V 形濾池，在V 形池上方加一層支撐層，在支撐層上方加活性炭層，當冷凝水回收來以后，經過活性炭層可以吸附雜質去除大多數(shù)的細菌、病毒和有機物。冷凝水經過兩層過濾濾層完成雜生物量細菌的吸附降解過濾的過程。檢測冷凝水合格的水通過導管進入到回收池中接入新的灌溉系統(tǒng)，檢測不合格的冷凝水由上方導管運輸?shù)竭^濾裝置從新進行兩層過濾，直至水質適合灌溉檢測要求。過濾的過程中會有大量細菌雜質積聚，定期通過反沖洗方式將吸附在表面的雜生物量細菌沖洗排出。

3.8 繼電器

繼電器在整個系統(tǒng)控制中作為切換型號控制執(zhí)行模塊，起到至關重要作用。連接電磁閥即可控制抽風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和水處理系統(tǒng)。我們選用NPN 晶體管繼電器，他屬于雙極結型晶體管（BJT）類型之一。NPN 晶體管具有三個端子——發(fā)射極、基極和集電極。繼電器通過MCU 發(fā)送的命令來轉換開關狀態(tài)。從而控制執(zhí)行模塊的開啟和關閉。由于stm32 輸入電流有限，不易直接驅動繼電器。在基極上連接限流電阻，防止電流過大把三極管燒壞，起到保護作用；下拉電阻的作用是防止三極管誤觸發(fā)引起繼電器誤動作，在單片機初始化的過程中，GPIO 端口輸出狀態(tài)可能不確定，這種情況下下拉電阻將基極下拉至確定的低電平放置了三極管的誤導通。采用型號IN4001 的二極管反向并聯(lián)在線圈的兩端。防止電流回流，為反向電動勢提供了一條泄放通道，保護電路。

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件使用C 語言編程，利用Keil5 開發(fā)環(huán)境進行模塊化設計建立模板。主要包括主程序控制、溫濕度分析數(shù)據(jù)控制子程序、顯示子程序等，實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行模塊驅動、數(shù)據(jù)顯示等功能。總體執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5：軟件流程圖

系統(tǒng)供電后執(zhí)行初始化，利用溫濕度傳感器DHT11 通過串行接口與單片機相連，采集到的數(shù)據(jù)經過單片機處理后，一方面實時監(jiān)測溫室大棚里的溫濕度環(huán)境，系統(tǒng)分析監(jiān)測的數(shù)值與設定的溫濕度值對比，當溫濕度高于設定閥值時，單片機送出信號驅動冷凝水相應控制系統(tǒng)（抽風系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)），另一方面更新顯示當前環(huán)境信息。溫濕度傳感器數(shù)值低于設定值。驅動系統(tǒng)關閉，開機待機模式。同時通過Wi-Fi 模塊將溫室大棚內數(shù)據(jù)通過APP 發(fā)送到管理者手機上。

5 結論

面對日益嚴峻的水資源枯竭問題，尋求高效利用水資源的技術和方法迫在眉睫。農業(yè)用水占我國總用水量超過60%，因此解決農業(yè)用水浪費問題是重中之重。溫室大棚作為現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分，如何充分節(jié)水灌溉，并實現(xiàn)水資源智能化重復利用，是我們現(xiàn)今研究的熱點之一。因此本課題設計了一個智能冷凝水回收系統(tǒng)，主要目的是最大程度實現(xiàn)溫室農作物的健康生產和水資源的回收再利用。本研究系統(tǒng)不僅具有廣泛的適用性且操作簡易，能更好的利用冷凝水進行節(jié)水灌溉，并為農作物提供良好的生存環(huán)境，從而提高農作物的產量，且該系統(tǒng)的成本低廉，可延展性強，有利于投入市場并進行大范圍地推廣使用。