基于STM32的智能种植系统设计

2022-08-29何丹丹

精密制造与自动化 2022年2期

马雷何丹丹

（平顶山学院信息工程学院河南平顶山 467000）

1 引言

根据调查走访，我国大多数农业田间管理依托人工来实现，在信息化迅速发展的今天，这样无疑是对资源的一种浪费，同时农业生产效率也未能得到提升。农业是国民经济的支柱，也要让先进技术反哺农业生产，实现农业信息化管理。

国外对农业领域的研究起步较早，在上个世纪七十年代初，西方发达国家就开始了农业信息化的研究，其研究集成了信息技术、模型优化、智能控制等技术[1]。随着物联网技术的快速进步，人们对种植的管理逐渐趋于自动化和集成化，如环境信息的检测、不同作物的精准施肥灌溉、田地的分布信息等[2]。

国内虽在农业领域起步较晚，但是发展迅猛。自上世纪八十年代始，我国相关领域的专家就开始关注并自行研发农业种植系统[3]。时至今日，我国也在农业信息化的浪潮中逐渐站稳了脚跟，但仍存在成本较高的问题[4]。针对这一需求，本文提出了一款成本较低的STM32智能种植系统。

2 系统总体设计

2.1 系统设计目标

本设计的主要需求是通过传感器技术与智能控制相结合，实现高度自动化的环境数据控制和检测，提高农业生产效率，其主要功能包括：

（1）环境数据检测，通过传感器模块实现对农业种植环境参量进行检测。

（2）执行种植灌溉，通过中央处理器对环境数据进行比对，决定是否执行灌溉，以此将种植环境数据维持在最适宜作物生长的范围。

（3）远程监控，通过GSM无线通信技术将环境数据传输到用户手机端。

2.2 系统设计框架

本系统使用STM32F103C8T6最小系统板作为主控，外设主要由BH1750光照传感器、DHT11温湿度传感器、步进电机和YL-69湿度传感器、GSM无线模块。驱动各种传感器模块采集环境数据，并将数据发送到中央处理器，处理器做出相应的处理和控制之后将数据发送至用户手机端。

系统设计总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

3 系统硬件设计及实现

3.1 主控单元

STM32F103系列芯片采用Cortex-M3内核，其性能强劲、功耗低、能够非常快速地响应中断，能够在相同的工作频率下处理更多的任务。且相比于51系列单片机，有更加丰富的I/O接口资源，可移植性更高[5]。

智能种植系统采用 STM32F103C8T6基本 32位嵌入式微处理器作为中央处理器。该芯片有SPI、I2C、AD等多种接口，无需外接搭桥。自带多种功能电路，如晶振电路、电源电路、复位电路等。可使用2.0-5.0V电压直接供电，十分契合本系统。

3.2 土壤湿度模块

检测土壤湿度，首先要考虑的是设备的使用寿命，本设计通过YL-69型镀镍湿度传感器，扩大了传感范围，提高了导电率[6]。该模块成本较低，传感器探头直接插入土壤使用，其暴露的外壳可以采用纯环氧树脂胶体进行密封，这样使设备更加稳定。该模块的电路图如图2所示。

图2 土壤湿度模块电路

3.3 温湿度模块

空气温湿度是农作物生长的重要环境参量，本系统采用 DHT11来检测目标数据。相比于其它传感器，DHT11更为稳定。模块的工作电压为3.3～5.0V，测量温度范围为 0～50℃，湿度为20%～90%，采样间隔最短为1秒，可适用于多种种植环境[7]。设备使用单总线进行输入输出，节约了主控芯片的接口资源；闲置的时候需要将总线置为高电平，可通过连接上拉电阻来实现，其电路设计如图3所示。

图3 空气温湿度模块电路

3.4 光照强度模块

BH1750使用I2C接口，可以得到模数转换后的数据。相比于普通的光敏电阻，它的内部多了数据处理单元，因此无需复杂的修正算法，只需要简单的数据滤波即可直接得到修正之后的准确环境数据。它的灵敏度相对光敏电阻也更高，受其余光谱影响较小[8]，功耗低；支持 I2CBUS接口，工作电压为1.8～5V，其电路图设计如图4所示。

图4 光照强度检测电路

3.5 电机驱动模块

该电机模块与土壤湿度传感器模块搭配使用，其主要作用是对种植环境进行数据调节，主要参考数据为土壤湿度。当种植环境中土壤湿度低于预先设定下阈值，则打开电机，通过小电流驱动大电流的方式来操控水泵，实现智能灌溉，而当土壤湿度高于预先设定上阈值，关闭水泵。该模块工作电压为5V，其成本较低，性能良好，其电路设计如图5所示。

图5 电机驱动模块电路

3.6 无线通信模块

GSM 技术是目前应用最为广泛的一种数字移动通信网络，它发展时间较早，稳定性强、普及度较高，其信道可以在全球无死角覆盖[9]。相比于APP，简单的手机短信操作更方便农民进行操作。为了方便信息接收，该系统采用了 SIMCom企业研发的SIM800C，其主要通过 AT指令进行控制，工作电压为5.0V，使用串行接口与主控芯片进行通信，可实现高速率传输[10]。该模块电路设计如图6所示。

图6 无线通信模块电路

3.7 电源模块

在智能种植系统中，设备通过USB接口供电，USB输出电压为 5V，该电压适用于电机模块和通信模块，且经过降压芯片进行降压，经过降压可以将5V转化为3.3V，为主控芯片和其余外设模块供电。电源模块电路如图7所示。

图7 电源模块电路

4 系统软件设计及实现

4.1 中央处理系统程序设计

作为系统的主控，STM32F103C8T6处理器相关于人的大脑，是整个系统中最为重要的部件。它不仅要接收处理传感器检测到的数据，还要对数据进行上传并在特定的条件下进行调控，以保证种植环境最适宜作物生长。中央处理系统软件设计如图8所示。

图8 STM32主控软件设计流程图

4.2 传感器检测子程序设计

土壤湿度、空气温湿度、光照强度都是重要环境参量。在智能种植系统中，为了避免数据错误，光照强度、空气温湿度、土壤湿度采样间隔为 1s，每采样获得的十次数据求和取平均值，获得修正后的数据。传感器检测软件设计流程图如图9所示。

图9 传感器检测设计流程图

4.3 电机调控子程序设计

电机模块要与YL-69土壤湿度传感器搭配使用，经查阅相关文献，常见农作物生长的最佳土壤湿度为17%～44%RH。为了校准检测可能会出现的误差，本系统将土壤湿度下阈值设定为20%RH，上阈值为40%RH。若土壤湿度低于下阈值，则打开电机，这个过程中若高于上阈值，关闭电机。软件流程图如图10所示。

图10 调控软件设计流程图

4.4 无线通信子程序设计

本设计中，通过AT指令让GSM短信模块实现各种功能操作，然后将接收到的传感器数据经过处理通过GSM模块发送到用户手机端，GSM无线软件设计流程图如图11所示。

图11 GSM无线软件设计流程图

5 系统测试及结果分析

为判断该设计是否能正常工作，此次系统测试将设备安置在种植环境进行。将设备接入电源，将土壤湿度传感器安置在农田中，其余传感器暴露在空气中[11]，将电机接入水泵电路，经过长时间的运行来判断传感器、电机和通信是否能正常工作。用户手机端收到的短信如图12所示。测试结果表明，数据传输正常，无线通信接受正常，该设备符合设计预期。