阿馬力 古麗米拉·克孜爾別克 馬健云

摘 要： 水資源短缺是全球現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的重要課題，國(guó)內(nèi)外利用微型計(jì)算機(jī)完成對(duì)水資源的智能化管理，實(shí)現(xiàn)智能高效的農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)。文章采用STM32F103芯片為控制核心，選用土壤濕度傳感器HL-TR01進(jìn)行土壤濕度的數(shù)據(jù)采集。主控芯片控制電子閥開(kāi)關(guān)水的流動(dòng)，并在液晶顯示器TM162A-3顯示電子閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前土壤濕度數(shù)據(jù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)水的智能化控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，達(dá)到智能滴灌的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： STM32芯片； 智能滴灌； 液晶顯示器TM162A-3； 濕度傳感器

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）06-61-04

Design and implementation of drip irrigation system by using STM32

A Mali， Gulimila·Kezierbieke， Ma Jianyun

（College of computer and information engineering， Xinjiang agricultural university， Urumqi， Xinjiang 830000， China）

Abstract： In order to solve the problem of water resources， the intelligent management of water resources is accomplished by microcomputer at home and abroad， to achieve intelligent and efficient agricultural drip irrigation system. This paper uses STM32F103 chip as the control core， and uses soil humidity sensor HL-TR01 for soil moisture data acquisition. The master chip controls the electronic valve switching the water flow， and the TM162A-3 LCD shows the electronic valve switch status and the current soil moisture data values， to realize the intelligent control of water and real-time monitoring and management， to achieve the requirements of the design of intelligent drip irrigation.

Key words： STM32 chip； intelligent drip irrigation； LCD TM162A-3； humidity sensor

0 引言

21世紀(jì)水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問(wèn)題己不僅僅是資源問(wèn)題，更成為關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)治久安的重大戰(zhàn)略問(wèn)題[1]。滴灌是在節(jié)水灌溉技術(shù)日益完善的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種高效、節(jié)水的灌水技術(shù)，通過(guò)毛管出水口將水或水肥的混合液送到作物根區(qū)土壤中，供作物吸收。在新農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的條件下水資源需要用新的技術(shù)基于電子信息采集操作性的可靠性的數(shù)據(jù)。滴灌的示范應(yīng)用表明，其節(jié)水節(jié)能效果最佳，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因而滴灌在溫室、果樹(shù)及免耕的大田作物和水源奇缺地區(qū)有著廣闊的應(yīng)用。

1 國(guó)外和國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外節(jié)水灌溉技術(shù)水平方面尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)，用埋在地下的濕度傳感器可以測(cè)得土壤濕度信息，還有的智能系統(tǒng)能通過(guò)檢測(cè)植物莖、果的直徑變化，來(lái)決定對(duì)作物的灌溉計(jì)劃和灌溉量。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉控制器，這種設(shè)備通常能控制幾路或十幾路電磁閥，內(nèi)有若干套灌溉管理程序，可預(yù)先設(shè)定灌水開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間和灌水時(shí)間隔時(shí)間，操作方便，自動(dòng)化、智能化控制運(yùn)行精密、可靠，節(jié)省人力，對(duì)灌溉過(guò)程的控制可達(dá)到相當(dāng)精度[2]。

在以色列，農(nóng)業(yè)是一個(gè)高度發(fā)達(dá)的產(chǎn)業(yè)。以色列的總面積約21萬(wàn)平方公里，其中60%是沙漠，很大部分是山地、丘陵和森林，因?yàn)檫@些原因以色列的農(nóng)業(yè)缺水。從事農(nóng)業(yè)的8萬(wàn)員工中每個(gè)員工，能養(yǎng)活95個(gè)人。與別的國(guó)家比較：在美國(guó)這個(gè)比例是1：79，在俄羅斯是1：14.7，中國(guó)1：3.6。以色列的農(nóng)產(chǎn)品銷往西歐的十幾個(gè)國(guó)家、亞洲、非洲、美國(guó)和加拿大[3]。

大多數(shù)的蔬菜、水果和鮮花種植在溫室，如果在農(nóng)田一個(gè)公頃里平均能得到70噸西紅柿，那么在可控制滴灌控制氣候的溫室里平均能得到500噸的西紅柿[3]。

荷蘭與美國(guó)有類似的控制方式，是控制系統(tǒng)控制營(yíng)養(yǎng)液，不同的營(yíng)養(yǎng)罐里裝有不一樣的化合物，按照滿足植物的生長(zhǎng)需求的比例將不同的化合物混合溶解在水中，利用計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)營(yíng)養(yǎng)管理進(jìn)行控制，利用管道把營(yíng)養(yǎng)液輸送到作物培養(yǎng)中。澳大利亞、法國(guó)、日本也是滴灌施肥技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家，他們研發(fā)了各種先進(jìn)的設(shè)備農(nóng)業(yè)控制器[4]。其中Dostron混肥器以法國(guó)研發(fā)的和澳大利亞生產(chǎn)的MICRO-MASTER系列產(chǎn)品處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

在俄羅斯的計(jì)量?jī)x器與技術(shù)發(fā)展程度與國(guó)外的技術(shù)水平相當(dāng)，能夠高精度地測(cè)量和可靠控制參數(shù)，包括能實(shí)現(xiàn)測(cè)量信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作。

滴灌發(fā)展戰(zhàn)略在過(guò)去幾十年中經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。在40-60年代中開(kāi)發(fā)的理論與創(chuàng)作實(shí)踐為各種類型的測(cè)量建筑物，其中裝有簡(jiǎn)單的測(cè)量裝置。在70-80年代中主要是改善傳統(tǒng)水文測(cè)量的計(jì)量?jī)x表的系統(tǒng)原理，這段時(shí)間是該領(lǐng)域水計(jì)量的深入細(xì)致的工作時(shí)期，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)了并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)試的新測(cè)量工具一般基于超聲波，電磁和其他監(jiān)控水流的方式。自動(dòng)化控制和流量調(diào)節(jié)器得到了顯著的發(fā)展。進(jìn)行自動(dòng)化流程的目的是創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)并創(chuàng)建水的核算體系使之成為智能系統(tǒng)。

現(xiàn)在新的測(cè)量?jī)x器設(shè)備對(duì)智能滴灌系統(tǒng)產(chǎn)生了積極的影響。已用的測(cè)量設(shè)備決定了新的水量核算體系技術(shù)的基礎(chǔ)。分析過(guò)去數(shù)年的技術(shù)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在滴灌系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)新的設(shè)備現(xiàn)代化。現(xiàn)代技術(shù)和通用測(cè)量的審查是為了建立一定的技術(shù)要求和切實(shí)可行的建議，以便在滴灌系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[5]。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備自20世紀(jì)80年代，特別是90年代后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、水資源的緊張及國(guó)家的重視，節(jié)水滴灌得到了迅猛地發(fā)展，同時(shí)電子技術(shù)也日新月異，其他行業(yè)中的自動(dòng)控制技術(shù)也逐步地在節(jié)水滴灌中得到應(yīng)用[6]。但是中國(guó)目前的自動(dòng)控制系統(tǒng)從國(guó)外進(jìn)口的居多，國(guó)內(nèi)自行研制的系統(tǒng)雖然在逐漸增多，從簡(jiǎn)易型到中央計(jì)算機(jī)型均有產(chǎn)品并得到應(yīng)用，但大多數(shù)還是單板機(jī)和小型控制器。與國(guó)外產(chǎn)品相比，在技術(shù)上還有差距，有些方面設(shè)計(jì)還不太合理，制造也比較粗糙，使用不太方便，仍需進(jìn)一步完善。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要的主要實(shí)現(xiàn)功能是能夠及時(shí)的采集濕度，并顯示；根據(jù)設(shè)定的濕度要求值，能夠?qū)崿F(xiàn)滴灌任務(wù)。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中使用的是STM32-MINI開(kāi)發(fā)板從HL-TR01土壤濕度傳感器采集濕度的值，然后往低電平觸發(fā)信號(hào)讓微型電子閥打開(kāi)或關(guān)閉，控制水的流動(dòng)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及微型電子閥模塊等。硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

3.1 STM32-MINI模塊

本系統(tǒng)采用Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器，是最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的管腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。ARM的Cortex-M3是32位的RISC處理器，提供額外的代碼效率，在通常8和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上得到了ARM核心的高性能。STM32F103xx增強(qiáng)型系列擁有內(nèi)置的ARM核心，因此它與所有的ARM工具和軟件兼容。

3.2 濕度傳感模塊

濕度傳感模塊由HL-TR01土壤濕度傳感器組成。土壤濕度傳感器有六個(gè)插線，其中要用到的線有紅線接5～24V供電，黑線為負(fù)極（接地）和棕線接0～2V，棕線連接芯片的ADC1_Ch0，棕線是要往主控制板模塊發(fā)送采集的濕度的值。

3.3 顯示模塊

顯示模塊是由TM162A-3液晶顯示器組成。當(dāng)主控制板從濕度傳感模塊收到數(shù)據(jù)時(shí)候，在顯示模塊會(huì)顯示當(dāng)前的濕度的值和打開(kāi)或關(guān)閉電子閥的狀態(tài)。TM162A-3顯示器工作電壓為5v，可顯示2行16個(gè)字符，V0可人為調(diào)節(jié)字符對(duì)比度。如圖2所示，有八位數(shù)據(jù)總線DB0～DB7端口連接芯片的PB8～PB15，三個(gè)控制端口將RS端口連接PE2、RW端口連接PE3和E端口連接PE4。

3.4 微型電子閥模塊

微型電子閥模塊由微型電子閥二位二通Q22XD-1.2L和低電平觸發(fā)組成。低電平觸發(fā)的三個(gè)插口，VCC接電源正極，GND接電源負(fù)極，IN信號(hào)觸發(fā)段連接控制板的PB0口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STM32 CubeMX和MDK Keil uVision配合完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。流程圖如圖3所示。

⑴ 主程序首先完成初始化各模塊并啟動(dòng)階段，然后在顯示模塊中完成初始值的顯示。

⑵ 然后使用DMA方式完成土壤濕度傳感器信號(hào)的讀取。

⑶ 再算從土壤濕度傳感器接受的數(shù)據(jù)與判斷，如果濕度傳感器小于20%的話微型電子閥會(huì)啟動(dòng)澆水并濕度會(huì)增大。當(dāng)濕度增大到55%的時(shí)候電子閥會(huì)關(guān)閉并濕度逐漸降低，減低20%以下電子閥重新啟動(dòng)。在濕度降低過(guò)程中，主程序以DMA方式不斷的讀取土壤濕度傳感器信號(hào)，如系統(tǒng)流程圖所示。

⑷ 最后在顯示模塊顯示當(dāng)前的濕度并顯示電子閥關(guān)閉或開(kāi)啟的狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)通過(guò)采用STM32F103芯片為控制核心，實(shí)現(xiàn)了土壤濕度傳感器HL-TR01對(duì)土壤的濕度采集；同時(shí)主控芯片控制電子閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)土壤濕度小于20%，電子閥為打開(kāi)狀態(tài)，在大于55%電子閥為關(guān)閉狀態(tài)；并在液晶顯示器TM162A-3上顯示電子閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和當(dāng)前土壤濕度數(shù)據(jù)值。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的智能化控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理，達(dá)到了設(shè)計(jì)智能滴灌的要求。但是系統(tǒng)能夠測(cè)試的參數(shù)還比較單一，同時(shí)平臺(tái)的功能還需進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 張磊，馮林.智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D].大

連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[2] 張成心，蘇有勇.低功耗節(jié)水滴灌系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].

昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[3] 張露露，唐桃波.農(nóng)田濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].長(zhǎng)江大學(xué)，2012.

[4] 馬一棉.基于STM32的嵌入式農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)

現(xiàn)[D].農(nóng)業(yè)信息化，2016.

[5] 李偉.基于ARM處理器的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[R].西北農(nóng)林科

技大學(xué)農(nóng)機(jī)化研究，2012.

[6] 袁立，呂洪武，王宏志.基于ARM的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春

工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014.35（2）：121-125.

[7] 周云，王軍，等.基于STM32F103VET6的觸摸屏導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)

計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015.32（6）：86-89

[8] Xiao Kehui， Xiao Deqin， Luo Xiwen. Smart water-saving

irrigation system in precision agriculture based on wireless sensor network[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010.26（11）：170-175