基于STM32 的茶園灌溉遠程控制系統(tǒng)

徐偉豪，張 武，左冠鵬，張 超，姚雨晴，馮金磊，苗犇犇

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計算機學(xué)院，安徽 合肥 230036）

0 引言

在自然條件下，茶樹生長所需要的水分主要由自然降雨提供［1］。我國大多數(shù)茶區(qū)年降雨量約為1 200 ～1 800 mm，雖然降水總量大體上滿足茶樹生長階段所需要的水分，但是各月降水量分配不夠均勻，經(jīng)常出現(xiàn)茶樹生長水分不足的情況，且多數(shù)茶區(qū)存在伏旱和秋旱現(xiàn)象。為減小這些現(xiàn)象對茶樹生長、茶葉品質(zhì)、茶葉產(chǎn)量等的影響，需要根據(jù)茶樹對不同時期水分的需求制訂精確的茶園自動灌溉控制方案［2］。

精確灌溉是實現(xiàn)茶園補充性灌溉的有效手段。系統(tǒng)會根據(jù)環(huán)境條件和作物生長情況，按照一定策略來進行適時、適量、定位灌溉，可達到節(jié)約灌溉用水、提高茶園產(chǎn)量等目的［3-4］。

近年來，關(guān)于精確灌溉的相關(guān)研究已經(jīng)深入到將水分蒸騰、環(huán)境氣象因素等相結(jié)合的綜合灌溉控制。其中DigitalSun 公司研發(fā)了自動化傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［5］，張偉等［6］設(shè)計了基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與模糊控制方法的精確灌溉系統(tǒng)。但是由于環(huán)境、價格以及其他條件等限制，應(yīng)用范圍只能局限在少數(shù)農(nóng)田系統(tǒng)中，很難進行大規(guī)模的推廣［7］。系統(tǒng)大多數(shù)是針對電磁閥門與管網(wǎng)的控制，很難普遍適用于現(xiàn)在的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)機制。

本文設(shè)計了一種針對茶園灌溉的遠程灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，在不同的耕地深度布置若干個土壤濕度傳感器，通過解析傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集到的信息，可實現(xiàn)上位機對多個電磁閥的開停、故障檢測；傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)上傳等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 作為主控制器，系統(tǒng)總體可分為核心控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、執(zhí)行設(shè)備模塊、人機交互模塊，系統(tǒng)的總體布局如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the whole system

數(shù)據(jù)采集模塊對土壤的墑情信息進行采集，采集的信息通過RS485 接口傳輸?shù)胶诵目刂颇K，并在LCD 觸摸屏上實時顯示［8］。采用中值濾波法對信息進行處理，處理之后的信息存儲在SD 存儲卡中。核心控制模塊通過比較預(yù)先對土壤濕度設(shè)置的區(qū)間，判斷此刻土壤濕度是否在正常濕度范圍之內(nèi)，從而發(fā)出不同的控制命令來調(diào)控土壤的濕度。用戶也可以按照自己的需求通過電容觸摸屏來控制電磁閥的開關(guān)，以保證茶樹可以保持良好的生長狀況。

另外，核心控制模塊可以通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C，這樣用戶可以從上位機實時監(jiān)控土壤的墑情變化，并發(fā)出相應(yīng)的命令，實現(xiàn)對土壤濕度的遠程智能控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 核心控制模塊

核心控制部分控制器采用基于Cortex- M3 內(nèi)核的STM32 系列微處理器STM32F103ZET6，具有64 kb SRAM、512 kb FLASH 等多個外設(shè)，基本可滿足本設(shè)計的要求。通過處理器上的GPIO 口來實現(xiàn)控制功能。核心控制部分通過STM32F103ZET6 的GPIO 接口上的高低電平變化來判斷土壤濕度是否處于預(yù)先設(shè)定的正常范圍內(nèi)，并以此為依據(jù)來控制相應(yīng)的電磁閥，繼而實現(xiàn)對整個灌溉系統(tǒng)的控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采用USART2 串口設(shè)計RS485 接口作為核心控制器和傳感器之間的接口。灌溉系統(tǒng)主要依據(jù)傳感器反饋的信息來執(zhí)行相應(yīng)的動作，因此傳感器的綜合性能會直接影響整個灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性［9］。本文采用RS- WS- N01- TR 型土壤水分溫濕度傳感器，其水分檢測范圍為0% ～100% ，水分檢測精度為± 3% ，工作環(huán)境為- 40 ～80 ℃，采用5 ～30 V 直流供電，功率大約為0.4 W，輸出信號為RS485 信號。傳感器具有精度高、響應(yīng)快、輸出穩(wěn)定、受土壤含鹽量等因素影響較小的特點，滿足本設(shè)計的需求。

在傳感器布局方面，筆者分別在土壤20、40、60 cm 處設(shè)置了3 個傳感器，以此來得到茶園不同土壤深度的濕度值。傳感器示意圖如圖2 所示。

圖2 土壤水分傳感器實物圖Fig.2 Real picture of soil moisture sensor

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲部分分別由SD 存儲卡和服務(wù)器端組成。系統(tǒng)采用SDIO 接口來連接SD 存儲卡以實現(xiàn)實時存儲土壤濕度數(shù)據(jù)，由于SD 卡的存儲空間有限，用戶可以通過電容觸摸屏來調(diào)節(jié)SD卡每次清空的時間間隔。此外數(shù)據(jù)會通過數(shù)據(jù)傳輸部分向服務(wù)器傳輸，并存儲在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

田間氣象條件復(fù)雜，傳感器到控制終端的距離較遠，因此兩者之間需要采用一種有效且遠距離的有線傳輸協(xié)議，筆者使用RS- 485 協(xié)議，并采用CRC 的方式進行校驗。而控制終端到服務(wù)器的距離更遠，需要一種可以提供穩(wěn)定互聯(lián)網(wǎng)連接的方法，本文采用GPRS 通信，通信協(xié)議采用Mobus- RTU 協(xié)議格式［10］。GPRS 網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣且傳輸穩(wěn)定，完全符合本設(shè)計的要求。本設(shè)計的GPRS 模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的USR- G780 V2 模塊。這是一款4G DTU，兼容485/232 的無限傳輸模塊。該GPRS 模塊使用簡單方便、傳輸穩(wěn)定，滿足本設(shè)計的需求。

本文將GPRS 的工作方式通過AT 指令設(shè)置到網(wǎng)絡(luò)透傳模式下，在此模式下，STM32F103ZET6 通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)指定的服務(wù)器。設(shè)備也可以接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)至STM32 的串口。GPRS 與服務(wù)器間采用Socket 長連接的方式通信。STM32F103ZET6 通過串口將傳感器接收到的消息傳輸給GPRS 模塊，GPRS 模塊將數(shù)據(jù)打包后，通過天線把打包后的數(shù)據(jù)傳送到基站，基站通過TCP 方式將消息發(fā)送到指定服務(wù)器，服務(wù)器上運行Socket 服務(wù)器端程序，將接收到的數(shù)據(jù)解包［6，11］。解包后的數(shù)據(jù)使用JDBC 的方式保存到MySQL 中。GPRS 模塊實物圖見圖3。

圖3 GPRS模塊實物圖Fig.3 Real picture of GPRS

2.5 執(zhí)行設(shè)備模塊

該模塊主要由電磁閥、繼電器、水泵、養(yǎng)料罐組成，主要功能是在茶樹生長過程中補充水分。電磁閥驅(qū)動電路的原理如圖4 所示，其中J1 的2 腳接STM32 的PA4 引腳，J2 接電磁閥。

圖4 執(zhí)行設(shè)備部分電路圖Fig.4 Circuit diagram of implement section

當(dāng)傳感器采集到的土壤濕度值經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后，低于設(shè)定范圍時，STM32 的PA4 接口持續(xù)輸出低電平，繼電器的閉合會導(dǎo)致光電耦合器隨著輸入端電流的增加，內(nèi)部發(fā)光二極管的亮度也相應(yīng)增加，光電耦合器的輸出電流增加，三極管導(dǎo)通。當(dāng)三極管導(dǎo)通后，發(fā)光二極管被點亮，電磁閥開關(guān)打開。當(dāng)土壤濕度值高于設(shè)定范圍時，電磁閥關(guān)閉。

2.6 人機交互模塊

人機交互模塊作為本系統(tǒng)中最為重要的部分，具有解析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲查詢、系統(tǒng)設(shè)置等功能，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)會實時在LCD 電容觸摸屏上顯示，并存儲在SD 卡中。

系統(tǒng)設(shè)置兩種控制模式，自動模式和手動模式。在自動模式下，系統(tǒng)每隔一定時間采集一次土壤濕度信息。為防止系統(tǒng)誤動作，需要去除傳感器的突變數(shù)值，本系統(tǒng)采用的處理方法是通過比較采集到的數(shù)據(jù)和上一個數(shù)據(jù)之間的差值是否小于系統(tǒng)設(shè)置的3% ，若小于3% ，則視為正確數(shù)據(jù)并控制電磁閥的開啟或閉合；若大于3% ，則系統(tǒng)仍以上一次數(shù)據(jù)為準(zhǔn)來控制電磁閥的開啟或閉合。在手動模式下，用戶可以在電容觸摸屏上對土壤水分正常范圍、數(shù)據(jù)采集、存儲發(fā)送間隔等進行設(shè)置，也可以直接通過控制模塊對系統(tǒng)和電磁閥進行操作［12］?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 茶園灌溉終端控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of control terminal of the garden irrigation system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括下位機控制終端的軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。

3.1 下位機控制終端軟件設(shè)計

下位機軟件是在Keil uVision5 IDE 集成開發(fā)環(huán)境下使用C 語言進行開發(fā)編寫，其主要流程如圖6 所示。系統(tǒng)穩(wěn)定工作之后開始分析從數(shù)據(jù)采集部分得到的數(shù)據(jù)，并判斷此時土壤水分含量是否處于用戶所設(shè)定的正常范圍，當(dāng)土壤含水量低于水分正常范圍下限時開始灌溉，當(dāng)土壤含水量高于水分正常范圍上限時停止灌溉。當(dāng)系統(tǒng)不能通過判斷水分是否在正常范圍來開啟或關(guān)閉電磁閥時，本系統(tǒng)將通過GPRS 傳輸故障信息至上位機和用戶的手機，保證實時監(jiān)測并解決故障。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用Netbeans 8.0 開發(fā)，開發(fā)環(huán)境采用Java 語言，界面簡單容易操作，可以很好地進行人機交互。上位機軟件部分由設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)模塊、控制模塊、傳輸模塊構(gòu)成，上位機可以實時進行數(shù)據(jù)顯示和查詢，并可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碚叩氖謾C或服務(wù)器上，結(jié)構(gòu)框圖見圖7。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸部分采用的4G DTU USR- G780 模塊，可以將數(shù)據(jù)實時的傳送到服務(wù)器進行存儲。通過上位機軟件，可以隨時查看當(dāng)前不同深度土壤的濕度值，并且可以遠程控制電磁閥的打開與閉合。上位機軟件設(shè)置界面如圖8 所示。設(shè)置界面分為IP/端口號和土壤溫濕度傳感器兩個部分。IP/端口號界面設(shè)置數(shù)據(jù)庫所在的公網(wǎng)IP 并指定端口號，點擊連接，軟件將進行初始化，自動配置GPRS 的波特率、IP 地址與端口號等參數(shù)。另外，在這個頁面可以選擇控制不同的電磁閥打開或者關(guān)閉，實時改變田間土壤的含水量。土壤溫濕度界面顯示同一地點不同深度的傳感器的讀數(shù)值。此外電磁閥的開閉與數(shù)據(jù)的上傳通常由軟件自動完成。為滿足用戶不同階段的需求，用戶可以通過上位機操作界面手動控制電磁閥的開閉或向數(shù)據(jù)庫增加數(shù)據(jù)。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

圖7 上位機軟件框圖Fig.7 Block diagram of upper computer software

圖8 上位機軟件設(shè)置界面Fig.8 Setting interface of upper computer software

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

對系統(tǒng)的測試部分結(jié)果如表1 所示，測試地點為黃山茶園，時間為2019 年9 月中旬，測試當(dāng)天天氣晴朗無雨，系統(tǒng)在14∶00 開始了第一次灌溉，此次灌溉在16∶00 終止。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Results of test

對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)置的水分正常范圍下限時電磁閥啟動，其中上層土壤水分變化最為明顯，中層水分保持在可控范圍內(nèi)，下層水分變化較小。水分變化折線圖如圖9 所示。其中紅色、藍色和黃色曲線分別對應(yīng)這上層（Top）、中層（Middle）和下層（Low）土壤水分的變化情況。

圖9 水分變化折線圖Fig.9 Curves of moisture change

從水分變化折線圖可知上層土壤自然蒸發(fā)速度明顯大于中層和下層，由于電磁閥出水口和傳感器之間存在一定的距離，采集的數(shù)據(jù)存在一定的滯后。從水分變化折線圖可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可保證植物生長過程中所需的水量，有效防止過量灌溉，實現(xiàn)遠程控制。

5 結(jié)語

本設(shè)計開發(fā)了一套基于STM32F103ZET6 的茶園自動灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對茶園土壤濕度的實時監(jiān)測和調(diào)控，并通過GPRS 技術(shù)實現(xiàn)與上位機以及手機的通信，從而實現(xiàn)對試驗田灌溉系統(tǒng)的遠程控制。實驗結(jié)果表明，上、中、下3 層土壤濕度保持在系統(tǒng)所設(shè)定的正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精確度高，可滿足茶樹在不同階段對水分的需求。同時，該系統(tǒng)操作簡單方便，可拓展性高，具有較好的市場應(yīng)用前景。