基于STM32的智能滴灌系統設計

韓偉超 黃連帥 潘南紅

摘要 為實現溫室大棚中的智能澆灌，設計一套以STM32為核心的智能滴灌系統。該系統具有土壤檢測、水流控制和聲光報警功能。系統采用濕度傳感器檢測土壤濕度，用步進電機控制水流開關，若發生情況用蜂鳴器和發光二級管（LED燈）進行聲光報警。

關鍵詞 智能大棚；滴灌系統；STM32；步進電動機

中圖分類號 S274.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0167-02

Abstract In order to realize intelligent irrigation in greenhouse， a smart drip irrigation system based on STM32 is developed. The system can perform soil detection， water flow control and sound and light alarm. The humidity sensor is used to measure soil moisture， and water flow switch is controlled by stepping motor. In the abnormal case， the alarming of buzzer and LED will start.

Key words Intelligent greenhouse；Drip irrigation system；STM32；Stepping motor

近年來，隨著智能控制的發展，高效農業的不斷增加，越來越多的人開始研究如何將智能控制應用到農業上，智慧農業大棚也隨之而生[1-4]。農業大棚結構中，澆灌系統是必不可少的一部分，而在干旱季節，水資源缺乏的地區，大面積的灌溉要求就無法得到保證。滴灌系統不僅能夠節約水源，還能夠有效地利用水資源[5-6]。目前，大多滴灌系統還處于人工管理的層面，使得在控制和管理上需要花費較大的開銷。為了減少勞動力的消耗和降低勞動成本，智能控制已經成為必然的趨勢。

筆者設計的基于STM32的智能滴灌系統可以代替人工監控。系統采用溫濕度傳感器進行土壤濕度的測量，利用步進電動機及配套傳送裝置控制液滴。若發生異常，蜂鳴器和發光二級管（LED燈）會進行聲光報警。該系統不僅可以讓土壤保持應有的水分，還可提高水的利用率，并且降低了工作人員的勞動強度，實行智能化管理。

1 系統組成和工作原理

1.1 系統組成

基于STM32的智能滴灌系統的結構組成如圖1所示。主要包括濕度傳感器模塊、按鍵模塊、報警模塊和步進電動機及其驅動電路所控制的滴灌裝置。該系統采用性能高、功耗低的32位微處理器STM32F103芯片作為核心。

1.2 工作原理

系統的主要工作原理：初始狀態時，步進電動機控制滴灌裝置的開關關閉，此時無水滴流出。管理人員可以根據土地的濕度設置相應的值，當濕度傳感器檢測到土壤的濕度小于設定值時，步進電動機通過齒輪組轉動傳送桿，傳送桿控制螺母松開對水管的擠壓，越來越多的水通過擠壓處流出，實現對作物進行澆水。當水流通過擠壓處流到土壤中后，土壤中的濕度傳感器會實時監測到土壤濕度。如果濕度達到管理人員設定的值，步進電動機進行逆向轉動，使螺母擠壓輸水管將水停止。當整個澆灌系統出現異常，如打開開關放水后，較長時間土壤濕度沒有變化，此時芯片將驅動聲光裝置進行報警。

2 系統硬件設計

由圖1可知，系統包含了濕度監測、滴灌控制、報警等部分，該研究重點介紹系統的核心部位：濕度土壤監測和滴灌控制。

2.1 土壤濕度檢測

濕度監測是系統的核心，該設計利用濕度傳感器模塊進行土壤的濕度監測。該模塊有3線制和4線制，該設計采用3線制進行設計，減少開發成本。3線制使用中VCC外接高電平3.3～5.0 V，GND外接GND，D0直接與STM32相連，STM32通過D0來監測高低電平，從而監測濕度。內部電路如圖2所示，該模塊采用工作穩定的LM393作為比較器，確保了穩定的輸出。調節VR1電阻可以改變所要監測的閾值，當濕度低于設定值時，D0輸出高，相反則輸出低。

2.2 滴灌控制

滴灌裝置可采用醫用輸液器進行改裝，輸液控制螺母連接轉動桿，轉動桿末端焊接齒輪與步進電動機的齒輪組合成齒輪組。當步進電動機轉動時帶動轉動桿，轉動桿驅動螺母，實現對輸液滴管的擠壓，達到開關的效果。

由于STM32帶負載能力有限，不能直接驅動步進電動機，所以在步進電動機與芯片之間采用L293D驅動芯片實現STM32對步進電動機的控制。它是一款雙橋驅動芯片，可同時驅動兩路直流電機或一路步進電機，最大輸出電流為600 mA，最大峰值輸出電流1.2 A，內部自帶靜電釋放（ESD）保護。

3 系統軟件設計

由前述可知，濕度傳感器將濕度轉換成高低信號，當濕度低于設定值時，D0輸出高電平，高于設定值時，輸出低電平。STM32利用判斷I/O口高低電平的方式來監測D0的高低電平。系統流程圖如3圖所示。

系統開始時，首先進行初始化。初始化完成后，STM32監測D0是否輸出高電平，如果是低電平，繼續監測。當D0是高電平時，驅動步進電動機正轉，打開滴灌水管放水。待正轉完成，打開水管后，STM32繼續監測D0口電平。當D0口由高電平變為低電平后，控制器驅動電機進行反轉，將滴灌管關閉。如果經過了很長時間（此時間可以根據實際情況設置），D0的電平未變高電平，此時系統出現異常，啟動報警電路進行報警。

當電動機反轉閉合滴灌水管開關后，微處理器又進入監測D0電平是否由低變高的程序中，以此來循環判斷濕度是否低于設定值，實現循環供水的智能化監控。

4 結語

該研究分析了基于STM32的智能滴灌系統工作原理和實施細節，該系統能夠精確地測量土壤的濕度，并驅動步進電動機進行滴灌開關，實現了智慧大棚中作物澆灌的智能化管理，有效避免了水源的浪費，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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