基于STM32单片机的智能节水滴灌系统

2022-01-19鄢纪豪高浩源黄晓龙阳光造

物联网技术 2022年1期

鄢纪豪，高琴，高浩源，黄晓龙，阳光造

（防灾科技学院，河北三河 065201）

0 引言

我国是一个干旱缺水严重的国家。我国的淡水资源总量为28 000亿立方米，占全球水资源的6%，并且是全球人均水资源最贫乏的国家之一。我国2018年的农业用水总量为3 693亿立方米，占全国用水总量的61.4%。因此，改进农业技术，更有效地利用灌溉水，对于缓解水资源短缺及相关的环境问题十分重要。

目前，滴灌是农业灌溉中节水能力较强的灌溉技术之一。滴灌属全管道输水和局部微量灌溉，使水分的渗漏和损失降低到最低限度；同时，由于其能做到适时地供应作物根部所需水分，不存在外围水的损失问题，又使水的利用效率大大提高。但是传统的滴灌技术中，主要的控制设备由各种手动、机械操作或电动操作的闸阀组成，难以通过对土壤湿度的分析自动调节灌溉水量。

1 智能节水滴灌系统的工作原理

智能节水滴灌系统的工作原理如图1所示。首先通过土壤检测传感器检测土壤湿度并输出与其相对应的模拟信号；然后经过A/D转换电路将模拟信号转换至数字信号，通过无线传输模块发送给单片机。单片机将采样值与程序中设置的适宜农作物生长的湿度进行对比，判断是否需要灌溉后，发送信号控制阀门自动开关，从而实现对灌溉水量和土壤湿度的自动调节。例如，当测定值低于设定湿度范围值的下限时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始滴灌；当测定值高于设定湿度范围值的上限时，再由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，从而停止滴灌。

图1 智能节水滴灌系统的工作原理

2 系统的硬件设计

为了满足大规模农业生产的使用需求，需要系统操作简单便捷，同时还需要兼顾硬件设备在体积、电耗、性能、安全性、使用寿命等方面的需求，使系统具有较强的实用性与简便的操作性。所以在硬件电路设计中尽可能选用功耗小、性能稳定、安全性高、使用寿命长的集成电路。本系统硬件模块主要由三大模块构成：STM32系列单片机控制模块、数据采集模块、机器运转模块。

2.1 STM32系列单片机控制模块

微型控制器是智能节水滴灌系统的核心部分，它控制灌溉系统的基本功能设定和数据的接收、存储、分析以及状态信息的传输通信、输出、显示等功能。选用的STM32系列单片机具有高性能、低成本、低功耗的特点。

以STM32F103为例，它具有的特点如下：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率为72 MHz，1.25 DMIPS/MHz；4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器；2个16位的6通道高级控制定时器，最多6个通道可用于PWM输出；2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）；2个IC接口（SMBus/PMBus）；5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）；3个SPI接口（18 Mb/s），两个和IS复用；CAN接口（2.0 B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口；片上集成32-512 KB的FLASH存储器、6-64 KB的SRAM存储器。完全能够满足对系统的控制，较大程度上简化了电路的设计。

2.2 数据采集模块

采集模块由土壤湿度传感器组成。土壤湿度传感器主要根据FDR频域反射原理和电磁脉冲原理，利用电磁波在介质中的传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤相对含水量。土壤湿度传感器具有体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；结构设计合理，其不绣钢探针能够保证使用寿命；外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀；受土质影响较小，应用地区广泛；测量精度高，性能可靠，能够确保正常工作；响应速度快，数据传输效率高。

2.3 机械运转模块

传统滴灌方法是利用塑料管道将水通过直径约10 mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。主要由以下三部分组成：

（1）首部枢纽：包括水泵（动力机）过滤器、控制与测量仪表等。其作用是抽水、过滤，以一定的压力将一定数量的水送入干管。

（2）管路：包括干管、支管、毛管以及必要的调节设备（如压力表、闸阀、流量调节器等）。其作用是将加压水均匀地输送到滴头。

（3）滴头：其作用是使水流经过微小的孔道，形成能量损失，减小其压力，使它以点滴的方式滴入土壤中。滴头通常放在土壤表面，亦可以浅埋保护。

机械运转模块的主要功能是利用单片机控制阀门自动开关，达到土壤湿度的稳定。其他结构与传统滴灌系统相同。

3 程序设计

程序设计由数据采集控制程序和系统主要控制程序组成，如图2所示。

图2 程序设计流程

3.1 数据采集控制程序

STM32系统启动之后，对各个传感器进行自测，检测各个传感器是否正常。在此以土壤湿度调节为例，当此时湿度低于预设值时系统就执行滴灌操作，同时设置一个标志变量为1。设置标志变量是为了较为直接地反映循环的状态，在STM32单片机执行完成相应操作后，只需要根据这些标志变量就可以确定是否完成任务，最后再将这些变量以一定时间为周期生成合理的运行日志发送给系统的数据处理系统，从而让工作人员清楚系统运行是否正常。