基于STM32的实用型家庭智能灌溉系统

郑杨煜，刘 星

（上海工程技术大学，上海 201600）

0 引 言

随着社会经济的迅速发展，人们的生活水平日益提高，精神文明需求逐渐增大，越来越多的人倾向于在家中种植观赏性植物，但有时因工作需要长期在外，无法做到及时关注植物的水分需求。随着科学技术的迅速发展，通过搭建智能灌溉控制系统来满足家庭种植过程中植物在不同环境下的灌溉需求已成为可能[1-4]。因此，结合实际需求，本课题设计了一套低成本的温湿度自动控制系统，可以实现简易的家庭自动化灌溉。

1 系统方案设计

本设计以STM32单片机为主控芯片，由风扇控制电路、温湿度传感器电路、LCD1602液晶显示电路、蓝牙模块电路和电源电路组成。

（1）单片机芯片的择定

采用意法半导体公司（ST）的STM32F103C8T6单片机作为主控制器，它具有ARM最新架构的Cortex-M3内核，拥有极低功耗的同时也有优秀的性能，易于开发[5-6]。

（2）无线遥控模块的选择

采用蓝牙模块进行本系统数据的无线传输。相比于其他无线传输模块，蓝牙模块具有成本低、功耗小、传输速率快、可靠性强和兼容性强等特点；且蓝牙技术已在智能手机中得到广泛使用，使得基于蓝牙技术的智能家居系统应用也会十分便捷，容易被大众接受。

（3）显示方案的选择

采用LED液晶显示屏，其功能丰富，可显示大量文字图形，并且相对美观，十分适合数据展示。在本系统中可选用LCD1602液晶显示屏，其内置192种字符，编写程序较为简单，并且功率小、使用寿命长。

2 硬件电路设计

2.1 系统主体结构设计

本系统的原理结构如图1所示。

图1 系统原理结构

本设计由STM32单片机、风扇控制电路、灌溉控制电路、温湿度传感器电路、LCD1602液晶显示电路、蓝牙模块电路和电源电路组成。通过温湿度传感器自动监测土壤的湿度与周围环境的温度，当温度超过所设置的阈值，系统会发出报警信息，并触发风扇启动；当湿度低于所设置的阈值，系统发出报警信息，并触发灌溉系统。系统对传感器采集的数据进行运算，并将结果推送至液晶屏和APP上显示。最后通过APP控制风扇和灌溉系统的开关状态。

2.2 模块电路设计

2.2.1 基于STM32单片机的电路设计

本设计所选用的控制芯片是STM32系列处理器，该款芯片能在实现本设计功能的前提下提供更丰富的接口，以便于设计实验系统中各实验项目所需的外围扩展电路[7-8]。此芯片在完成单片机课程的学习后上手较为容易，具有很好的学习和实验研究价值。STM32单片机实物如图2所示。

图2 STM32单片机核心板实物

2.2.2 基于LCD1602液晶显示模块的电路设计

LCD显示器一般分为两种：字段显示和字符显示。字段显示只要将对应的信号送到相应的管脚就能显示相应的内容；字符显示根据需要显示基本字符。

本设计采用字符显示的LCD1602液晶显示器显示输出信息，可使用电位器调节液晶显示屏的对比度，其具体电路原理如图3所示。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块体积小、功耗低、显示内容丰富，不需要外加驱动电路；并且LCD1602可以显示2行16个汉字，基本满足本系统的字符显示需求。

图3 LCD1602液晶显示电路原理

2.2.3 5 V散热风扇控制电路（高电平有效）设计

系统中使用三极管9012对散热风扇进行控制，电路中加入电阻，目的是限流并保护三极管。当单片机所定义的引脚为高电平时，三极管导通，风扇正常工作；为低电平时，风扇不转动。

2.2.4 JDY-30蓝牙模块电路设计

蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通信。本蓝牙模块就是为了无线数据传输而专门设计的，支持串行接口，支持SP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、收发灵敏性高等特点，只需配备少许的外围元件就能实现较多功能。蓝牙模块实物如图4所示。

图4 蓝牙模块实物

2.2.5 DHT11温湿度传感器模块电路设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，集成了成熟的数字模块采集技术和温湿度传感技术，有很高的可靠性和稳定性，同时其抗干扰能力强、响应速度快，使用起来十分便捷[9-12]。DHT11传感器模块内部电路如图5所示。模块实物如图6所示。

图5 DHT11温湿度传感器模块内部电路

图6 DHT11温湿度传感器实物

3 系统软件设计

本设计采用易读性和移植性高的C语言编写程序，使用Keil μVision5 by ARM软件进行代码的编译与调试，这款IDE被广泛地用于代码的编写和测试；程序的烧录使用的是ST-LINK下载器。程序运行流程如图7所示。

图7 程序运行流程

4 结 语

本文针对人们在家庭植物培育过程中的灌溉需求进行深入研究，以STM32F103C8T6嵌入式单片机为主控芯片，设计了实用型家庭智能灌溉系统，以满足不同植物在不同环境条件下的水分需求，同时使用智能设备实现了对植物生长环境的实时监视和人工控制。设计过程中采用了温湿度传感器、蓝牙模块等电子元件，并根据实际需求进行软硬件设计，最终成功实现了家庭灌溉系统的智能控制。同时，在本设计的基础上，可通过增加其他电子元器件，增改写控制程序，快速便捷地实现更多拓展功能，以满足本设计原始功能范围之外的其他个性化需求，可广泛应用于家庭、公园、农田等各种场景，根据不同植物特性进行精细化栽培，提高植物生长质量和灌溉效率、节约资源。