基于STM32的滴灌系统的设计实现

2018-08-21阿马力古丽米拉·克孜尔别克马健云

计算机时代 2018年6期

阿马力古丽米拉·克孜尔别克马健云

摘要：水资源短缺是全球现代农业面临的重要课题，国内外利用微型计算机完成对水资源的智能化管理，实现智能高效的农业滴灌系统。文章采用STM32F103芯片为控制核心，选用土壤湿度传感器HL-TR01进行土壤湿度的数据采集。主控芯片控制电子阀开关水的流动，并在液晶显示器TM162A-3显示电子阀的开关状态和当前土壤湿度数据值，实现对水的智能化控制和实时监测管理，达到智能滴灌的设计要求。

关键词： STM32芯片；智能滴灌；液晶显示器TM162A-3；湿度传感器

中图分类号：TP302 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）06-61-04

Design and implementation of drip irrigation system by using STM32

A Mali， Gulimila·Kezierbieke， Ma Jianyun

（College of computer and information engineering， Xinjiang agricultural university， Urumqi， Xinjiang 830000， China）

Abstract： In order to solve the problem of water resources， the intelligent management of water resources is accomplished by microcomputer at home and abroad， to achieve intelligent and efficient agricultural drip irrigation system. This paper uses STM32F103 chip as the control core， and uses soil humidity sensor HL-TR01 for soil moisture data acquisition. The master chip controls the electronic valve switching the water flow， and the TM162A-3 LCD shows the electronic valve switch status and the current soil moisture data values， to realize the intelligent control of water and real-time monitoring and management， to achieve the requirements of the design of intelligent drip irrigation.

Key words： STM32 chip； intelligent drip irrigation； LCD TM162A-3； humidity sensor

0 引言

21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题己不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题[1]。滴灌是在节水灌溉技术日益完善的基础上发展而成的一种高效、节水的灌水技术，通过毛管出水口将水或水肥的混合液送到作物根区土壤中，供作物吸收。在新农业经营管理的条件下水资源需要用新的技术基于电子信息采集操作性的可靠性的数据。滴灌的示范應用表明，其节水节能效果最佳，经济效益显著。因而滴灌在温室、果树及免耕的大田作物和水源奇缺地区有着广阔的应用。

1 国外和国内发展现状

1.1 国外发展现状

国外节水灌溉技术水平方面尤其是发达国家已普遍采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀，内有若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水时间隔时间，操作方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当精度[2]。

在以色列，农业是一个高度发达的产业。以色列的总面积约21万平方公里，其中60%是沙漠，很大部分是山地、丘陵和森林，因为这些原因以色列的农业缺水。从事农业的8万员工中每个员工，能养活95个人。与别的国家比较：在美国这个比例是1：79，在俄罗斯是1：14.7，中国1：3.6。以色列的农产品销往西欧的十几个国家、亚洲、非洲、美国和加拿大[3]。

大多数的蔬菜、水果和鲜花种植在温室，如果在农田一个公顷里平均能得到70吨西红柿，那么在可控制滴灌控制气候的温室里平均能得到500吨的西红柿[3]。

荷兰与美国有类似的控制方式，是控制系统控制营养液，不同的营养罐里装有不一样的化合物，按照满足植物的生长需求的比例将不同的化合物混合溶解在水中，利用计算机对应营养管理进行控制，利用管道把营养液输送到作物培养中。澳大利亚、法国、日本也是滴灌施肥技术比较先进的国家，他们研发了各种先进的设备农业控制器[4]。其中Dostron混肥器以法国研发的和澳大利亚生产的MICRO-MASTER系列产品处于国际领先地位。

在俄罗斯的计量仪器与技术发展程度与国外的技术水平相当，能够高精度地测量和可靠控制参数，包括能实现测量信息系统实时工作。

滴灌发展战略在过去几十年中经历了几个发展阶段。在40-60年代中开发的理论与创作实践为各种类型的测量建筑物，其中装有简单的测量装置。在70-80年代中主要是改善传统水文测量的计量仪表的系统原理，这段时间是该领域水计量的深入细致的工作时期，当时开发了并在实验中测试的新测量工具一般基于超声波，电磁和其他监控水流的方式。自动化控制和流量调节器得到了显著的发展。进行自动化流程的目的是创建一个自动化系统并创建水的核算体系使之成为智能系统。

现在新的测量仪器设备对智能滴灌系统产生了积极的影响。已用的测量设备决定了新的水量核算体系技术的基础。分析过去数年的技术发展，发现在滴灌系统中可实现新的设备现代化。现代技术和通用测量的审查是为了建立一定的技术要求和切实可行的建议，以便在滴灌系统中得到广泛应用[5]。

1.2 国内发展现状

中国的节水灌溉技术和设备自20世纪80年代，特别是90年代后，随着经济的发展、水资源的紧张及国家的重视，节水滴灌得到了迅猛地发展，同时电子技术也日新月异，其他行业中的自动控制技术也逐步地在节水滴灌中得到应用[6]。但是中国目前的自动控制系统从国外进口的居多，国内自行研制的系统虽然在逐渐增多，从简易型到中央计算机型均有产品并得到应用，但大多数还是单板机和小型控制器。与国外产品相比，在技术上还有差距，有些方面设计还不太合理，制造也比较粗糙，使用不太方便，仍需进一步完善。

2 系统的总体设计

本系统主要的主要实现功能是能够及时的采集湿度，并显示；根据设定的湿度要求值，能够实现滴灌任务。在设计实现中使用的是STM32-MINI开发板从HL-TR01土壤湿度传感器采集湿度的值，然后往低电平触发信号让微型电子阀打开或关闭，控制水的流动。系统功能结构图如图1所示。

3 系统硬件电路设计

系统的硬件设计包括控制模塊、数据采集模块、数据显示模块及微型电子阀模块等。硬件设计电路图如图2所示。

3.1 STM32-MINI模块

本系统采用Cortex-M3内核的32位处理器，是最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现MCU的需要提供了低成本的平台、缩减的管脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。ARM的Cortex-M3是32位的RISC处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上得到了ARM核心的高性能。STM32F103xx增强型系列拥有内置的ARM核心，因此它与所有的ARM工具和软件兼容。

3.2 湿度传感模块

湿度传感模块由HL-TR01土壤湿度传感器组成。土壤湿度传感器有六个插线，其中要用到的线有红线接5～24V供电，黑线为负极（接地）和棕线接0～2V，棕线连接芯片的ADC1_Ch0，棕线是要往主控制板模块发送采集的湿度的值。

3.3 显示模块

显示模块是由TM162A-3液晶显示器组成。当主控制板从湿度传感模块收到数据时候，在显示模块会显示当前的湿度的值和打开或关闭电子阀的状态。TM162A-3显示器工作电压为5v，可显示2行16个字符，V0可人为调节字符对比度。如图2所示，有八位数据总线DB0～DB7端口连接芯片的PB8～PB15，三个控制端口将RS端口连接PE2、RW端口连接PE3和E端口连接PE4。

3.4 微型电子阀模块

微型电子阀模块由微型电子阀二位二通Q22XD-1.2L和低电平触发组成。低电平触发的三个插口，VCC接电源正极，GND接电源负极，IN信号触发段连接控制板的PB0口。

4 系统软件设计

本设计使用STM32 CubeMX和MDK Keil uVision配合完成系统软件的设计。流程图如图3所示。

⑴ 主程序首先完成初始化各模块并启动阶段，然后在显示模块中完成初始值的显示。

⑵ 然后使用DMA方式完成土壤湿度传感器信号的读取。

⑶ 再算从土壤湿度传感器接受的数据与判断，如果湿度传感器小于20%的话微型电子阀会启动浇水并湿度会增大。当湿度增大到55%的时候电子阀会关闭并湿度逐渐降低，减低20%以下电子阀重新启动。在湿度降低过程中，主程序以DMA方式不断的读取土壤湿度传感器信号，如系统流程图所示。

⑷ 最后在显示模块显示当前的湿度并显示电子阀关闭或开启的状态。

5 结束语

本文设计通过采用STM32F103芯片为控制核心，实现了土壤湿度传感器HL-TR01对土壤的湿度采集；同时主控芯片控制电子阀的开关状态，当土壤湿度小于20%，电子阀为打开状态，在大于55%电子阀为关闭状态；并在液晶显示器TM162A-3上显示电子阀的开关状态和当前土壤湿度数据值。在实验室进行了实验，从实测的数据来看，基本实现了对水的智能化控制和实时监测管理，达到了设计智能滴灌的要求。但是系统能够测试的参数还比较单一，同时平台的功能还需进一步完善。

参考文献（References）：

[1] 张磊，冯林.智能节水滴灌系统的无线传感器网络设计[D].大

连理工大学硕士学位论文，2009.

[2] 张成心，苏有勇.低功耗节水滴灌系统的优化设计与应用[D].

昆明理工大学硕士学位论文，2014.

[3] 张露露，唐桃波.农田湿度监控系统设计[C].长江大学，2012.

[4] 马一棉.基于STM32的嵌入式农田信息采集系统设计与实

现[D].农业信息化，2016.

[5] 李伟.基于ARM处理器的灌溉控制系统设计[R].西北农林科

技大学农机化研究，2012.

[6] 袁立，吕洪武，王宏志.基于ARM的温湿度监测系统[J].长春

工业大学学报（自然科学版），2014.35（2）：121-125.