基于STM32的智能滴灌系统设计

韩伟超 黄连帅 潘南红

摘要 为实现温室大棚中的智能澆灌，设计一套以STM32为核心的智能滴灌系统。该系统具有土壤检测、水流控制和声光报警功能。系统采用湿度传感器检测土壤湿度，用步进电机控制水流开关，若发生情况用蜂鸣器和发光二级管（LED灯）进行声光报警。

关键词 智能大棚；滴灌系统；STM32；步进电动机

中图分类号 S274.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）18-0167-02

Abstract In order to realize intelligent irrigation in greenhouse， a smart drip irrigation system based on STM32 is developed. The system can perform soil detection， water flow control and sound and light alarm. The humidity sensor is used to measure soil moisture， and water flow switch is controlled by stepping motor. In the abnormal case， the alarming of buzzer and LED will start.

Key words Intelligent greenhouse；Drip irrigation system；STM32；Stepping motor

近年來，随着智能控制的发展，高效农业的不断增加，越来越多的人开始研究如何将智能控制应用到农业上，智慧农业大棚也随之而生[1-4]。农业大棚结构中，浇灌系统是必不可少的一部分，而在干旱季节，水资源缺乏的地区，大面积的灌溉要求就无法得到保证。滴灌系统不仅能够节约水源，还能够有效地利用水资源[5-6]。目前，大多滴灌系统还处于人工管理的层面，使得在控制和管理上需要花费较大的开销。为了减少劳动力的消耗和降低劳动成本，智能控制已经成为必然的趋势。

笔者设计的基于STM32的智能滴灌系统可以代替人工监控。系统采用温湿度传感器进行土壤湿度的测量，利用步进电动机及配套传送装置控制液滴。若发生异常，蜂鸣器和发光二级管（LED灯）会进行声光报警。该系统不仅可以让土壤保持应有的水分，还可提高水的利用率，并且降低了工作人员的劳动强度，实行智能化管理。

1 系统组成和工作原理

1.1 系统组成

基于STM32的智能滴灌系统的结构组成如图1所示。主要包括湿度传感器模块、按键模块、报警模块和步进电动机及其驱动电路所控制的滴灌装置。该系统采用性能高、功耗低的32位微处理器STM32F103芯片作为核心。

1.2 工作原理

系统的主要工作原理：初始状态时，步进电动机控制滴灌装置的开关关闭，此时无水滴流出。管理人员可以根据土地的湿度设置相应的值，当湿度传感器检测到土壤的湿度小于设定值时，步进电动机通过齿轮组转动传送杆，传送杆控制螺母松开对水管的挤压，越来越多的水通过挤压处流出，实现对作物进行浇水。当水流通过挤压处流到土壤中后，土壤中的湿度传感器会实时监测到土壤湿度。如果湿度达到管理人员设定的值，步进电动机进行逆向转动，使螺母挤压输水管将水停止。当整个浇灌系统出现异常，如打开开关放水后，较长时间土壤湿度没有变化，此时芯片将驱动声光装置进行报警。

2 系统硬件设计

由图1可知，系统包含了湿度监测、滴灌控制、报警等部分，该研究重点介绍系统的核心部位：湿度土壤监测和滴灌控制。

2.1 土壤湿度检测

湿度监测是系统的核心，该设计利用湿度传感器模块进行土壤的湿度监测。该模块有3线制和4线制，该设计采用3线制进行设计，减少开发成本。3线制使用中VCC外接高电平3.3～5.0 V，GND外接GND，D0直接与STM32相连，STM32通过D0来监测高低电平，从而监测湿度。内部电路如图2所示，该模块采用工作稳定的LM393作为比较器，确保了稳定的输出。调节VR1电阻可以改变所要监测的阈值，当湿度低于设定值时，D0输出高，相反则输出低。

2.2 滴灌控制

滴灌装置可采用医用输液器进行改装，输液控制螺母连接转动杆，转动杆末端焊接齿轮与步进电动机的齿轮组合成齿轮组。当步进电动机转动时带动转动杆，转动杆驱动螺母，实现对输液滴管的挤压，达到开关的效果。

由于STM32带负载能力有限，不能直接驱动步进电动机，所以在步进电动机与芯片之间采用L293D驱动芯片实现STM32对步进电动机的控制。它是一款双桥驱动芯片，可同时驱动两路直流电机或一路步进电机，最大输出电流为600 mA，最大峰值输出电流1.2 A，内部自带静电释放（ESD）保护。

3 系统软件设计

由前述可知，湿度传感器将湿度转换成高低信号，当湿度低于设定值时，D0输出高电平，高于设定值时，输出低电平。STM32利用判断I/O口高低电平的方式来监测D0的高低电平。系统流程图如3图所示。

系统开始时，首先进行初始化。初始化完成后，STM32监测D0是否输出高电平，如果是低电平，继续监测。当D0是高电平时，驱动步进电动机正转，打开滴灌水管放水。待正转完成，打开水管后，STM32继续监测D0口电平。当D0口由高电平变为低电平后，控制器驱动电机进行反转，将滴灌管关闭。如果经过了很长时间（此时间可以根据实际情况设置），D0的电平未变高电平，此时系统出现异常，启动报警电路进行报警。

当电动机反转闭合滴灌水管开关后，微处理器又进入监测D0电平是否由低变高的程序中，以此来循环判断湿度是否低于设定值，实现循环供水的智能化监控。

4 结语

该研究分析了基于STM32的智能滴灌系统工作原理和实施细节，该系统能够精确地测量土壤的湿度，并驱动步进电动机进行滴灌开关，实现了智慧大棚中作物浇灌的智能化管理，有效避免了水源的浪费，具有广阔的应用前景。

参考文献

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