基于STM32的大棚智能喷灌系统设计

熊昌炯，马 豪，刘建军

(三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004)

近年来，农业中的大棚种植技术得到了较为普遍的推广[1-3]。然而，现有的大棚种植设备简陋，如喷洒农药与浇灌作业，基本依靠人工完成，这直接导致了水资源与农药的浪费、效率低下[4-5]，而且随着人工费用的增加，大棚智能喷灌系统的研究具有一定的迫切性。

因此，本文为实现对大棚作物精确、稳定的喷洒与浇灌，提出设计一款智能喷灌系统；以STM32为核心控制器[6-7]，利用传感器DHT11采集大棚环境的温度与湿度，采集到的数据信息以NRF2401无线发送至核心控制器[8-9]；然后根据设置的温度、湿度临界值，自动对大棚作物进行喷灌。

1 大棚智能喷灌系统总体设计

本文设计的大棚智能喷灌系统主要由温度采集装置、管道喷洒装置与核心控制装置构成，如图1所示。首先根据大棚实际环境，在各个垄布置所需的PU管道与喷头，同时在各垄的农作物布置温湿度采集模块(DHT11传感器与NRF2401无线收发装置)，主控制箱上的通过电磁阀控制各路管道的出水情况。当大棚环境温湿度低于用户设置的临界值时，STM32核心控制器交流电机带动齿轮泵转动，同时控制继电器模块打开对应的电磁阀[10-11]，实现对该垄农作物的喷灌。

图1 智能喷灌系统原理框图

2 大棚智能控制系统硬件设计

2.1 STM32最小系统设计

控制系统的核心处理器采用STM32F103ZET6，其具有FLASH和EEPROM使得其可多次擦写程序，方便开发者操作；可以输出能直接驱动继电器的电流，运算速度快，抗干扰能力强，使其得到广泛的应用。其最小系统电路图如图1所示。

图2 STM32F103ZET6最小系统

2.2 NRF2401无线收发模块设计

为了避免布线的繁琐，采用NRF2401传送DHT11采集的温湿度信息。NRF2401工作频率可达2.4GHz，内置功率放大器、调制器等，具有低功耗、传输速度快、出错概率低等特点，其电路图如图3所示。

图3 NRF2401电路设计

2.3 显示模块设计

为了使得控制系统具有更加友善的用户界面，采用可触摸液晶屏，在其上面显示温湿度数据信息、系统已工作时间、打开/闭合的管道路数等。可通过手指触摸直接对系统进行参数设置，具有简单便捷的特点，其电路图如图4所示。

图4 显示模块电路设计

2.4 控制系统主控板与控制柜设计

以STM32F103ZET6为主控芯片，外加继电器控制模块、电源转换模块、电机驱动模块等，完成电路原理图绘制之后，制作成PCB电路图与控制柜外观如图5所示。

图5 主控板与控制柜

首先，用户可根据大棚及农作物的特点，布置好所需的喷灌装置；然后通过控制柜左侧的电磁阀出口端连接布置在各个垄上的管道；最后，接通电源，设置好温湿度的临界值，按下启动按钮，系统便能处于监控状态。此时系统处于监控状态，核心控制器一直在接收温湿度传感器发送过来的信息，当温湿度高于临界值时，便会启动电机，并打开相对应的电磁阀，执行喷灌作业。

3 大棚智能喷灌系统软件设计

3.1 控制系统主程序设计

系统主程序下载至STM32F103ZET6为核心的主控板中，其主要包括系统初始化程序、NRF2401接收数据程序、液晶屏显示程序、监控程序等。首先对系统进行初始化，接收NRF2401发送过来的数据，然后设置温湿度的临界值、再启动系统监控程序，判断温度传感器采集的数据是否高于临界值，并作出相应的控制，具体如图6所示。

图6 主程序流程图

3.2 温湿度中断服务程序设计

对于NRF2401数据收发程序流程，如图7所示。对于发送端模块，将采集大棚环境温湿度信息转换成与主机约定好的协议数据，发送至主机，然后等待主机响应；当主机收到数据之后，会对其进行判断，如数据正确将会发送“01”至发送端，否则将发送“00”至发送端。发送端通过判断主机发送回来的数据，进行下一步操作，如主机成功接收数据则将发送下一组采集数据，否则将重新发送。

图7 温度控制流程图

4 系统性能测试与应用

在完成大棚智能喷灌系统制作之后，对喷灌系统温湿度的控制情况进行了测试分析。实验设置如下：实验环境福建省三明市清流县的某花卉大棚(如图8)、温度设置22度、湿度设置85%RH、测试时间为10：00-16:00，每间隔15分钟采集一次传感器信息进行控制，表1为某天测试结果情况。

图8 实际喷灌效果图

采样时间温度值(°C)湿度值(%RH)10:0021.179.211:0023.488.912:0021.989.613:0022.180.514:0021.089.215:0022.586.916:0022.891.7

分析表中数据可以发现，大棚中的实际的温湿度值与设定值的误差分别为°C与左右，表明本文所设计的控制系统能较好的控制性能，能应用于大棚的实际喷灌作业。

5 结论

为提高我国农业自动化技术，本文设计了一款大棚智能喷灌系统，可实时采集大棚环境的温湿度信息，并根据设置的临界值，对大棚的农作物进行喷灌。实际应用表明，所设计的智能喷灌系统实现了对大棚内农作物的自动喷洒及降温，不但可以节约人工成本，且提高了水之源与农药的利用率，同时精准的喷灌作业，对提供农作物的产量，具有一定的作用。