基于STM32智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李煥然

（黑龍江工商學(xué)院，黑龍江哈爾濱， 150025）

0 引言

過去幾年，我國農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)得到了一定的發(fā)展，但由于市面的灌溉控制器使用不方便、功能較少等缺點普遍存在，需要人工手動操控，工作人員要頻繁的手動切換電動閥門在不同的灌區(qū)之間，高人工費用，無法解放勞動力，難以開展大規(guī)模的農(nóng)業(yè)管理活動。另外，傳統(tǒng)的灌溉機也有很多問題需要解決，比如不能對灌區(qū)目前的土壤水分進行實時監(jiān)測，單靠人工進行灌溉決策，土壤含水量不能保持在合適的水平，造成了大量的灌溉用水不能得到有效利用，導(dǎo)致過澇、土壤硬化，作物減產(chǎn)等問題。因此，針對智能灌溉進行系統(tǒng)化的研究具有重要的使用意義和開發(fā)價值。

1 系統(tǒng)整體方案

本次基于STM32智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，選用STM32F 103C8T6來作為灌溉控制器的MCU，由電源模塊、濕度傳感器模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器和水泵等部分組成，系統(tǒng)運行后土壤濕度傳感器檢測環(huán)境濕度，OLED顯示屏實時顯示當前土壤濕度、水泵澆水狀態(tài)、模式、土壤干燥閾值和過濕閾值，通過按鍵可以改變自動、手動和設(shè)置三種模式的轉(zhuǎn)換，自動模式下當土壤濕度小于干燥值時水泵自動澆水，當土壤濕度大于過濕閾值時聲光報警，手動模式通過按鍵控制水泵開關(guān)，設(shè)置模式通過按鍵設(shè)置干燥閾值和過濕閾值以實現(xiàn)智能灌溉。圖1為基于STM32智能灌溉系統(tǒng)的整體框架。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計

■2.1 主控核心電路設(shè)計

STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板由外部復(fù)位電路、外部時鐘電路以及MCU本體構(gòu)成?？刂破髯鳛镸CU的主要控制核心，其作用是在系統(tǒng)運行期間，有效地識別出由MCU發(fā)出的指令，并根據(jù)指令控制系統(tǒng)的某些功能，從而確保MCU可以按照指令執(zhí)行所要求的工作。在整個微處理器工作系統(tǒng)中，通過控制器來完成各種指令的傳遞和處理。在實際運行時，控制器會把系統(tǒng)內(nèi)存中的指令發(fā)送到一個寄存器中，然后進行相應(yīng)的存儲。然后由指令譯碼器進行解譯，并將所得到的結(jié)果傳送到時序控制邏輯電路，再通過指令傳遞給其他器件，從而實現(xiàn)單片機的工作。STM32F103C8T6單片機的引腳圖如圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6單片機的引腳圖

整個單片機一共引出44個引腳，該單片機GPIO口有很多種模式，其中最多使用到的模式有推挽輸出以及模擬輸入這兩種模式。其豐富的IO口模式使得在外接按鈕時可以不設(shè)計上下拉電阻，更方便設(shè)計與研究。

■2.2 OLED顯示模塊電路設(shè)計

在本設(shè)備添加OLED顯示模塊展示當前環(huán)境參數(shù)信息，例如土壤濕度、水泵澆水狀態(tài)、模式、土壤干燥閾值和過濕閾值。方便查看實時環(huán)境參數(shù)，提供具體數(shù)據(jù)供用戶參考。OLED顯示模塊選用0.96寸四針I(yè)2C（Inter-Integrated Circuit）接口的OLED顯示屏，顯示效果非常清楚，對比度高，無需電平轉(zhuǎn)換芯片，成本低且易開發(fā)，OLED顯示模塊如圖3所示。

圖3 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊只需要SCL和SDA兩條信號線即可與MCU進行通訊，SCL和SDA分別與GPIO端口PB8和PB7相連，通信通過模擬I2C的方式來實現(xiàn)，OLED顯示模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 OLED顯示模塊電路原理圖

■2.3 按鍵電路設(shè)計

為了實現(xiàn)智能灌溉控制，有四個按鍵被加在本系統(tǒng)的電路中，四個按鍵依次接在MCU的PB12、PB13、PB14、PB15端口上，S1可以進行自動、手動和設(shè)置三種模式的轉(zhuǎn)換，手動模式下S2控制水泵的運行的狀態(tài)，設(shè)置模式下S3和S4可以增加或減少干燥閾值和過濕閾值。這四個按鍵應(yīng)用的是上拉輸入方式，按鍵如果閉合，主控制器就會檢測到低電平，按鍵松開時則會檢測到高電平。按鍵電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 按鍵電路設(shè)計

■2.4 土壤濕度傳感器電路設(shè)計

YL-69是本次設(shè)計所需的土壤濕度傳感器的最佳選擇，因為鎳被鍍在了它的探測器表面，既可以改善導(dǎo)體的導(dǎo)電性，又可以避免與土壤接觸后的腐蝕。圖6為其實物圖。

圖6 YL—69實物圖

在本次設(shè)計中，通過ADC采樣的方式對AO端口進行模擬量的采集，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，能得到更準確的土壤含水量，如圖7所示，STM32單片機通過ADC1的PA0引腳對土壤濕度傳感器AO端口輸出的模擬電壓進行采集。

圖7 土壤濕度傳感器電路設(shè)計

■2.5 灌溉模塊電路設(shè)計

此模塊主要由一個5V供電的水泵、S8050NPN型三極管、電容以及LED燈組成。其中電容C1并聯(lián)到水泵電樞兩端，可以起到濾波和抗干擾的作用，當MCU給引腳PC14高電平時，三極管導(dǎo)通，水泵開始運轉(zhuǎn)，LED1指示燈亮起；當MCU給引腳PC14低電平時，三極管截止，水泵停止運轉(zhuǎn)，LED1指示燈熄滅。灌溉模塊電路原理圖如圖8所示。

圖8 灌溉模塊電路原理圖

■2.6 蜂鳴器報警電路設(shè)計

此模塊主要由一個S8050NPN型三極管、LED燈，以及有源蜂鳴器組成。R4為限流電阻，當MCU給引腳PC13高電平時，三極管導(dǎo)通，VCC便給蜂鳴器供電，LED2指示燈亮起；當MCU給引腳PC13低電平時，三極管截止，蜂鳴器不導(dǎo)通，LED2指示燈熄滅。蜂鳴器電路原理圖如圖9所示。

圖9 蜂鳴器電路原理圖

3 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅要進行硬件設(shè)計，還要進行軟件編程。由于本設(shè)計中使用了以單片機為控制器，所以在軟件編程平臺的選取上也要相應(yīng)地考慮。一般情況下，針對單片機的軟件開發(fā)平臺有很多，比如Keil，IAR等。C語言易于移植、靈活，非常符合系統(tǒng)的設(shè)計要求，與匯編相比，C語言具有較高的可移植性。KeiluVision5是一個高效、易用的開發(fā)環(huán)境，它不但加快了我們的研究速度，也降低了我們的人力物力，并且滿足了我們的需求。所以，這個設(shè)計選用了KeiluVision5來進行程序調(diào)試。同時，該軟件還具有聯(lián)機調(diào)試的能力，利用專用的聯(lián)機調(diào)試工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對單片機的運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，并能夠設(shè)定斷點，實現(xiàn)單步運行，便于用戶進行程序的調(diào)試。

首先需要進行對單片機引腳初始化操作，土壤濕度傳感器將采集到的環(huán)境濕度上傳到MCU進行分析，若環(huán)境濕度小于干燥閾值則開啟水泵進行灌溉，然后和過濕閾值進行對比，若大于過濕閾值，則水泵關(guān)閉，蜂鳴器警報，反之進行循環(huán)系統(tǒng)的判斷，然后與OLED顯示模塊通過模擬I2C的方式進行通訊，并將當前環(huán)境數(shù)據(jù)和水泵運行狀態(tài)進行展示，最后MCU持續(xù)掃描按鍵對應(yīng)IO口的輸入狀態(tài)，根據(jù)不同的按鍵，可以進行自動、手動和設(shè)置三種模式的轉(zhuǎn)換，控制水泵的運行的狀態(tài)，增加或減少干燥閾值和過濕閾值。系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

用吸水的紙巾模擬不同的土壤環(huán)境進行測試，系統(tǒng)初始化完成之后，自動模式下，當紙巾濕度小于干燥閾值時，通過OLED顯示屏可以觀察到水泵已經(jīng)成功開啟進行灌溉，如圖11所示，OLED顯示屏中土壤濕度為2%，干燥閾值為48%，過濕閾值為80%，水泵：開啟。

圖11 OLED顯示

當紙巾濕度大于干燥閾值，小于過濕閾值時，通過OLED顯示屏可以觀察到水泵已經(jīng)關(guān)閉停止灌溉，如圖12所示，OLED顯示屏中土壤濕度為65%，干燥閾值為48%，過濕閾值為80%，水泵：關(guān)閉。

圖12 OLED顯示

當紙巾濕度大于過濕閾值時，通過OLED顯示屏可以觀察到水泵已經(jīng)關(guān)閉停止灌溉，蜂鳴器指示燈亮起并發(fā)出警報，如圖13所示，OLED顯示屏中土壤濕度為99%，干燥閾值為48%，過濕閾值為80%，水泵：關(guān)閉。

圖13 OLED顯示

當灌溉模塊啟動之后，水泵通水，指示燈亮起，進行灌溉，如圖14所示。

圖14 進行灌溉

以上測試數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 不同環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)

對系統(tǒng)按鍵模塊進行測試，按下按鍵S1，模式已經(jīng)切換為手動，如圖15所示。

圖15 按鍵控制

再次按下按鍵S1，模式已經(jīng)切換為設(shè)置，按下S3或S4即可改變干燥閾值和過濕閾值，如圖16所示。

圖16 按鍵控制

經(jīng)過多次實驗測試，系統(tǒng)顯示和控制效果均達到預(yù)期，能夠穩(wěn)定運行，基本符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

水資源的不合理利用、灌溉不及時、高人工費用等是當前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉中普遍存在的問題，本文提出了一種基于STM32智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計，與傳統(tǒng)的灌溉方法比較，能夠自動進行控制灌溉和環(huán)境監(jiān)測，擁有更低的人工費用、數(shù)據(jù)真實、運行穩(wěn)定等優(yōu)勢，讓土壤含水量始終保持在合適的水平，克服了傳統(tǒng)灌溉方法不能對灌區(qū)目前的土壤水分進行實時監(jiān)測、單靠人工進行灌溉決策、人工費用高、灌溉用水不能得到有效利用等問題。本設(shè)計用STM32F103C8T6單片機結(jié)合YL-69濕度傳感器、OLED顯示模塊、灌溉模塊、按鍵模塊等來共同完成，實現(xiàn)了通過按鍵可以改變自動、手動和設(shè)置三種模式的轉(zhuǎn)換，OLED實時顯示當前土壤濕度、水泵澆水狀態(tài)、模式、土壤干燥閾值和過濕閾值，自動模式下當土壤濕度小于干燥值時水泵自動澆水，當土壤濕度大于過濕閾值時聲光報警，手動模式通過按鍵控制水泵開關(guān)，設(shè)置模式通過按鍵設(shè)置干燥閾值和過濕閾值來進行智能灌溉。