基于STM32温室大棚冷凝水回收利用控制系统设计

赵丽丽 闫永昌

（1.赤峰学院 内蒙古自治区赤峰市 024000 2.赤峰市区域经济合作局 内蒙古自治区赤峰市 024000）

1 研究背景

我国作为农业大国，农业用水量占总用水量的60%以上，但是我国淡水资源的总量仅为2.7×10亿立方米，仅占全球水资源6%。因此农业用水缺乏，严重制约我国农业发展。2020年，全国耕地实际灌溉亩均用水量356 立方米，农田灌溉水有效利用率仅为0.565。主要原因为一方面农民节水灌溉意识落后，另一方面节水灌溉设施发展尚不完善，导致水资源浪费，水资源利用效率低下。基于此寻求如何高效循环利用农业用水的方案，加强水资源管理将对缓解农业困境做出巨大贡献。研究统计显示温室大棚内植物蒸腾作用散失水分高达植物用水量的50-60%，如果能将这部分水重回收利用，将大大节约温室大棚农作物用水，从而缓解农业用水压力。尽管目前温室大棚技术在不断的革新，采用膜下滴灌和重力滴灌、喷灌技术、渗灌技术等科学手段改善灌溉技术节约水资源，仍然无法缓解日益加重的农业用水供需矛盾。因此为增加温室大棚水资源回收利用寻求新的解决方案将对提高水资源利用及水资源可持续利用提供新的启发。冷凝水回收利用不仅提高水资源利用，节能环保，还可以带来巨大收益。虽然冷凝水回收利用已在空调冷凝水，燃煤锅炉电厂等方面已经得到充分证明，但是目前对于温室大棚冷凝水回收利用研究及人工智能灌溉仍未成熟需要进一步完善。因此开发温室大棚冷凝水回收利用智能装置并投入市场将为解决温室大棚水资源重新利用具有重要意义。

2 系统总体设计

2.1 研究内容

温室大棚冷凝水系统设计研究内容主要秉承着绿色发展理念，以高效提高水资源利用，节能环保为核心，主要以温室大棚冷凝水回收并重复利用为目的,设计出一套自动化智能冷凝水回收接入灌溉系统。

2.2 系统设计

温室大棚冷凝水回收系统由五个模块组成：湿度传感器模块、抽风系统模块、冷凝器装置模块、水系统处理模块、接入灌溉新系统。系统选用单片机为主控原件，冷凝器装置为冷凝水回收核心，利用温湿度传感器收集温室大棚内部环境的湿热空气数据，并通过OLED 显示器实时显示采集的湿度环境数据。系统利用Wi-Fi 模块与手机端的无线远程通信，使所测大棚环境的相关数据信息可以在手机上同步显示，当湿度达到一定数值时自动运行抽风系统，通过三层冷凝板让湿热空气完成气液转换过程，形成冷凝水流入到回收装置。冷凝水经过双层过滤材料后进入水检测系统合格后接入灌溉系统，完成冷凝水回收再利用。

基于冷凝水智能回收的模式，首先我们需要设定适合温室大棚内种植的农作物最佳生长的温度和湿度。然后将大棚内温湿度传感器采集到的实际温湿度数值通过数据处理后传送到单片机，系统会将温湿度与预先设定的温湿度上下限进行比较，如果参数值超过设定的上下限时，蜂鸣器会发出声响提示，同时3 个继电器启动，开启抽风系统、冷凝器装置模块、水系统处理模块功能。当温湿度回到设定的上下限范围内，单片机主控模块才会给报警模块和继电器发出停止工作命令。

总体电路图如图1所示。

图1：总体电路图

总体电路图以单片机控制器为核心，温湿度传感器测量温室大棚内温湿度并利用Wi-Fi 无线收集数据，根据温湿度波动启动抽风系统、制冷系统和水处理系统。

3 系统硬件设计

3.1 电源模块

电源模块为冷凝水回收系统装置正常工作提供保障，本系统工作需要三种不同的电压为各个模块提供供电。其中温湿度传感器模块和显示模块需要5V 供电电压。抽风系统、制冷系统和水处理系统等执行模块需要12V 供电电压。处理器模块需要3.3V 电压。我们用充电锂电池给执行模块进行供电，并利用L7805 芯片将12V 转换成5V 对温湿度传感器进行供电，同时使用AMS1117-3.3 芯片将5V 电压降为3.3V，为数据处理模块进行供电。在各级电压处增加电容保证供电稳定性。具体电路如图2所示。

图2：电源电路图

利用L7805 芯片将12V 转换成5V，使用AMS1117-3.3芯片将5V 转换成3.3V。

3.2 单片机模块。

本设计项目选择STM32F103C8T6 单片机芯片作为主控模块完成对整个温室大棚系统各个模块的控制。它是一款基于stm32 系列的32 位微控制器。工作电压最高3.6V，容量64KB，基于Cortex-M3 内核的嵌入式微处理器芯片，采用了同时拥有独立32～bit 指令总线和32～bit 数据总线的哈佛结构。STM32 在使用时的最小系统应包括晶振电路和复位电路。晶振电路为主控芯片提供系统时钟。复位电路设置了按键复位，当系统出现问题时可以利用按键进行复位。不含外设控制，原理简单。时钟电路该芯片运行稳定，能满足项目运行要求。负责进行信息处理，部分控制启动。

3.3 Wi-Fi模块

本设计采用ESP8266 模块。ESP8266 模块是目前嵌入式设计所通用的一种 Wi-Fi 无线网络通信模块，集成了业界领先的TensilicL106 超低功耗32 位微MCU，具有16 位缩减模式，主频支持80MHz 和160MHz，支持RTOS，集成了Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA，板载天线。具有UART 接口。通过该模块进行 Wi-Fi 通信，可以将单片机的串口接入网络，完成与手机 APP 端之间的通信可通过 Wi-Fi 模块经手机客户端显示，完成系统的连接设计。同时达到控制相应模块开关的要求。

3.4 温湿度传感器模块

本系统温湿度传感器模块选用DHT11，是一款复合型温湿度传感器，采用了数字模块采集技术以及温湿度传感器技术，直接输出数字信号，可以用来测量外部环境的温湿度，此型号传感器的湿度测量范围为30%-90%RH，在温室大棚环境达到25℃时，湿度测量范围可达到20%-90%RH，不需要数模转换器件。它应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，让系统能够持续高效地完成对温湿度信号的采集。DHT11 的优点是元件体积小，功耗低，可以远距离传输。使其成为温室大棚采集数据的最佳选择。

DHT11 实物与引脚说明如图3所示。电路中MCU 数据口连接3pin。由于SDA 数据引脚接线长度短于20 米时，用5K 上拉电阻，因此在传感器和2pin 与电源VDD 之间连接一个小于5K 的电阻。而传感器的电源端1pin 和4pin 分别接MCU 的VDD 和GND 端，传感器的3pin 悬空。

图3：DHT11 应用电路图

通过在温室大棚配置相应数量的温湿度传感器，将温室大棚内各点的湿度值实时传送回控制系统，无线温湿度传感器以电池供电，在工程实施过程中避免大量的通讯线缆、线管、供电线路的铺设，可根据温室大棚的实际情况调整安装位置，实现智能化采集大棚内精准湿度，使得MCU 根据湿度值智能化开启各个继电器单元。

如图3，DHT11 供电范围是3V～5V，SDA 数据引脚接线长度短于20 米时，用5K 上拉电阻。VDD，GND 为电源引脚。

3.5 抽风系统

抽风系统我们采用涡旋鼓风机，它采用专用电机，结构紧凑，体积小，重量轻，噪音低，送出气源无水无油，一般在10KPA 到100KPA 之间。原理是叶轮转动时，通过离心力的作用，风向标促使气体向前运动，从而形成一些列螺旋状运动。我们通过涡旋鼓风机将大棚内的湿热空气进行传至送回收利用装置。确保湿热空气最大限度的回收，减少能耗损失。达到高效回收转化冷凝水的目的。

3.6 冷凝器装置模块

冷凝器装置有三组冷凝器组成，冷凝器由导热性能较好的金属材料制成，以充分利用热传递作用。冷凝器由冷凝面板制冷单元组成，第一种冷凝面板有条形通风孔，第二种冷凝面板由无孔冷凝面板组成，所有的冷凝面板里面都有制冷单元。第一层制冷面板使用条形风孔制冷面板设置成与水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。使得通过抽风系统回收的高温湿气通过第一次压缩机制冷面板发生液化反应，产生的冷凝水由管道2 回收到水处理系统的集水装置。第二层制冷面板使用条形风孔制冷面板设置成与水平面呈30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上，并且与第一个制冷面板设置一定的距离。通过第一层制冷面没有完全液化的湿热空气在遇到第二层压缩机制冷面板发生液化反应，产生的冷凝水由管道2 回收到水处理系统的集水装置。第三个制冷面板使用无孔制冷面板，设置成与水平面呈-30 度角度的斜向下固定在管道2 的外壁上。第三个制冷面使用无孔制冷面板是为了使得通过第一个制冷面板和第二个制冷面板没有完全液化的湿热空气与第三个制冷面接触面积大，同时增加湿热空气运行的阻力增大，加快冷凝效果，尽量把湿热空气完全转化成冷凝水。通过30 度的斜向下角度液化的冷凝水由导管3 流入到集水装置。空气中的气体通过集水装置两侧的导气通道4 排出（如图4所示）。

图4：冷凝器装置平面示意图

让抽风系统中的高温湿气通过回收装置的三层压缩机冷凝热交换之后，使得高温湿气充分液化从而转换成冷凝水，达到湿热蒸汽遇冷凝结成冷凝水的过程。

如图4，冷凝器装置主要设置于集水槽上方。温室大棚内湿热空气经过第一层有孔冷凝面板后液化为水，经过第二层有孔冷凝面板将剩余湿热空气进一步液化为水。第一层和第二层液化后的冷凝水由冷凝水排水管2 排至集水槽，而未充分转换的湿热空气，可通过第三层无孔冷凝面板液化为水并通过排水管3 收集至集水槽。空气中的气体通过集水装置两侧的导气通道4 排出。

3.7 水系统处理和检测

冷凝回收的水可能掺杂生物量、异养菌、氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、微型动物等杂质。我们把集水槽做成一个V 形滤池，在V 形池上方加一层支撑层，在支撑层上方加活性炭层，当冷凝水回收来以后，经过活性炭层可以吸附杂质去除大多数的细菌、病毒和有机物。冷凝水经过两层过滤滤层完成杂生物量细菌的吸附降解过滤的过程。检测冷凝水合格的水通过导管进入到回收池中接入新的灌溉系统，检测不合格的冷凝水由上方导管运输到过滤装置从新进行两层过滤，直至水质适合灌溉检测要求。过滤的过程中会有大量细菌杂质积聚，定期通过反冲洗方式将吸附在表面的杂生物量细菌冲洗排出。

3.8 继电器

继电器在整个系统控制中作为切换型号控制执行模块，起到至关重要作用。连接电磁阀即可控制抽风系统、制冷系统和水处理系统。我们选用NPN 晶体管继电器，他属于双极结型晶体管（BJT）类型之一。NPN 晶体管具有三个端子——发射极、基极和集电极。继电器通过MCU 发送的命令来转换开关状态。从而控制执行模块的开启和关闭。由于stm32 输入电流有限，不易直接驱动继电器。在基极上连接限流电阻，防止电流过大把三极管烧坏，起到保护作用；下拉电阻的作用是防止三极管误触发引起继电器误动作，在单片机初始化的过程中，GPIO 端口输出状态可能不确定，这种情况下下拉电阻将基极下拉至确定的低电平放置了三极管的误导通。采用型号IN4001 的二极管反向并联在线圈的两端。防止电流回流，为反向电动势提供了一条泄放通道，保护电路。

4 系统软件设计

软件使用C 语言编程，利用Keil5 开发环境进行模块化设计建立模板。主要包括主程序控制、温湿度分析数据控制子程序、显示子程序等，实现了温湿度数据采集、执行模块驱动、数据显示等功能。总体执行流程如图5所示。

图5：软件流程图

系统供电后执行初始化，利用温湿度传感器DHT11 通过串行接口与单片机相连，采集到的数据经过单片机处理后，一方面实时监测温室大棚里的温湿度环境，系统分析监测的数值与设定的温湿度值对比，当温湿度高于设定阀值时，单片机送出信号驱动冷凝水相应控制系统（抽风系统、制冷系统、水处理系统），另一方面更新显示当前环境信息。温湿度传感器数值低于设定值。驱动系统关闭，开机待机模式。同时通过Wi-Fi 模块将温室大棚内数据通过APP 发送到管理者手机上。

5 结论

面对日益严峻的水资源枯竭问题，寻求高效利用水资源的技术和方法迫在眉睫。农业用水占我国总用水量超过60%，因此解决农业用水浪费问题是重中之重。温室大棚作为现代农业的重要组成部分，如何充分节水灌溉，并实现水资源智能化重复利用，是我们现今研究的热点之一。因此本课题设计了一个智能冷凝水回收系统，主要目的是最大程度实现温室农作物的健康生产和水资源的回收再利用。本研究系统不仅具有广泛的适用性且操作简易，能更好的利用冷凝水进行节水灌溉，并为农作物提供良好的生存环境，从而提高农作物的产量，且该系统的成本低廉，可延展性强，有利于投入市场并进行大范围地推广使用。