基于ARM和STM32的樹苗無線灌水智能控制系統設計

劉紅艷，張明偉，魏 純

(1.濟源職業技術學院 機電工程系，河南 濟源 459000;2.武漢東湖學院 電子信息學院，武漢 430212)

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基于ARM和STM32的樹苗無線灌水智能控制系統設計

劉紅艷1，張明偉1，魏 純2

(1.濟源職業技術學院 機電工程系，河南 濟源 459000;2.武漢東湖學院 電子信息學院，武漢 430212)

全球日益變暖帶來的干旱問題越來越嚴重，而全球水資源需求迅速膨脹，水資源緊缺制約著全球經濟的發展。為了減少水資源浪費，實現高精準農業灌溉，設計了一套無線自動控制的樹苗灌溉系統，基于S3C2410A微處理器、移動數據業務,可以通過動態人機界面將采集到的數據展現給操作人員。系統運行結果表明：灌區監控系統具有設計合理、運行可靠、實用性強的特點，很好滿足了樹苗無線自控灌溉的要求，解決了傳統灌溉水資源浪費大、穩定性差的問題，在樹苗灌溉方面有很高的實際生產應用價值。

無線灌溉；智能控制；GPRS；S3C2410A；上位機；樹苗

0 引言

水作為世界萬物之源，是生物生存發展的基礎，隨著全球氣候的不斷惡化，水資源缺乏的問題越來越突出。近年來，我國北方的旱災越來越嚴重，已嚴重制約農業經濟的發展。我國在農業灌溉用水浪費率高達48%，與節水先進國家20%～30%的水平相差太大。因此，對樹苗區濕度的自動檢測，實現自動及時的灌溉，對合理利用水資源及節約用水有極其深遠的意義。

近年來，隨著我國經濟的高速發展及我國對于科學技術的高度重視，使得科技信息領域發展迅速，將科學與信息技術應用到農業生產中，對提高農民收入，促進經濟發展具有重要意義。本文提出一套基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自控系統，將ARM系統與GPRS通用分組無線服務技術完美結合，在利用ARM系統高性能、低功耗、低價格的同時，充分利用了GPRS實時通訊的優勢，使得數據傳輸更加便捷可靠。通過樹苗區濕度傳感器和灌溉控制器準確有效地控制灌水量和灌水時間，實現對樹苗區的合理灌溉，充分高效地利用水資源，為樹苗的生長保證充足的水資源供給。

1 系統架構及其工作原理

樹苗無線灌水自動控制系統可分為ARM微處理系統和STM32信號采集控制器兩部分：ARM嵌入式系統結合利用STM32開發的PC上位機對樹苗區土壤濕度實時監控，而STM32控制器接收指令后對樹苗區進行高效節能的灌溉。

1.1 樹苗無線灌水系統整體架構

基于樹苗區面積、樹苗高度、土壤濕度、給水系統的充分考慮，本文設計的無線自動控制樹苗灌溉系統，架構如圖1所示。其主要包括PC上位機、ARM處理系統、GPRS無線傳輸網絡、STM32控制器、報警系統、濕度傳感器網絡和灌溉閥門執行網絡。

圖1 樹苗灌溉系統整體結構圖

1.2 系統工作原理

1)PC上位機作為整個控制系統的主控中心，連接嵌入式系統進行信息的接收與發送，實現對灌溉閥門開關的控制管理工作。在該系統中，上位機與底層網絡采用一個控制多個網絡的方式。

2)ARM微處理器作為到目前為止最受歡迎的ARM微處理器之一，可為技術要求高、成本要求苛刻的嵌入式應用提供可靠的高性能和靈活性，其處理信息功能強大，對本文灌溉系統精確的信息控制處理起著決定性的作用。

3)STM32控制器作為本設計中復雜的數字化管理部分，不僅檢測和管理濕度傳感器網絡與灌溉閥門執行網絡的運作，還要保證其通過GPRS無線網絡與ARM嵌入式系統的通信。該控制器具有較高的運行速度，能較好地滿足產品設計要求。

1.3 樹苗區灌溉系統設計

基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自動控制系統應該具備以下特點:能采集濕度傳感器的信息和接收ARM嵌入式系統發送到的指令并通過GPRS無線網絡進行數據的傳輸。由于樹苗區濕度傳感器網絡分布范圍廣，灌溉閥門執行網絡也比較大，故控制系統需要采取靈活的灌溉控制方法，如圖2所示。

圖2 灌溉控制方法示意圖

系統首先將濕度傳感器網絡采集的土壤濕度信息發送至STM32控制器，再通過無線網絡傳送至ARM嵌入式系統，然后通過RS-485串口線與PC上位機連接，將信息傳輸至PC上位機。工作人員提前在上位機上設置了樹苗區灌溉用水量等參數，將采集到的樹苗區土壤濕度值與設置的灌溉用水量進行比較，決定樹苗區是否需要灌溉：當達到需要灌溉時打開灌溉閥門控制開關，對樹苗區實施灌溉；當達到土壤濕度值時灌溉閥門執行網絡關閉，停止對樹苗區實施灌溉。上述過程不斷重復，保證樹苗區土壤濕度值在合適范圍內，同時也避免了用水浪費。

2 樹苗無線灌水系統硬件設計

2.1 ARM最小系統結構

除了嵌入式微處理器芯片本身，ARM最小系統還需要一些必備的外圍元器件。一個 ARM 最小系統一般包括：①ARM 微處理器芯片；②電源供電電路、復位電路，晶振電路；③存儲器(FLASH 和 SDRAM)；④UART(RS232及以太網)接口電路；⑤JTAG 調試接口。ARM最小系統結構如圖3所示。

圖3 ARM最小系統結構圖

圖3中：ARM最小系統的工作和控制中心采用S3C2410微處理器。電源部分1.8V電壓為ARM處理器供電，3.3V為其他外圍芯片供電。晶振電路部分為微處理器及其他電路提供工作時所需時鐘信號。Flash存儲器則用來存放嵌入式操作系統、用戶操作程序及其他在系統掉電后需要保存的數據信息等。JTAG實際上是一種串并轉換協議，用來完成ARM系統和PC上位機的通信。

2.2 STM32控制器

STM32控制器以STM32F107為處理器，STM32F10是ST公司推出的STM32互聯型系列微控制器中的一款功能強大、性價比高的產品。STM32在引腳和軟件上具有完美的兼容性，應用性能好。STM32的ADC轉換時間極短、轉換精度極高，特別適用于對數據采集和處理上有高標準要求的產品上，這也是選用STM32作信息集結點控制器中心的重要原因。STM32控制器架構如圖4所示。

圖4中：電源模塊為整個系統提供電源，并且通過微處理器對電池充放電進行管理，可以延長電池的使用壽命。GPRS主要用來完成STM32控制器與ARM嵌入式系統的通訊功能。串口用來完成PC機與STM32控制器程序下載及調試功能。信號采集模塊主要用來完成濕度傳感器采集到的濕度值及驅動灌溉閥門開關。數據存儲部分則用來存放程序及保存接收到的數據信息。人機交互部分主要控制LCD顯示和完成按鍵指令的輸入。

圖4 STM32控制器架構圖

3 樹苗無線灌水系統軟件設計

3.1 ARM系統軟件設計

ARM系統軟件運行流程如圖5所示。ARM系統軟件采用層次化結構設計，其程序主要用來完成數據信息的接收與傳輸，實現對灌溉澆水過程的實時監測與控制，通過串口與PC上位機通信。

圖5 ARM系統軟件設計

傳輸數據至PC監控顯示窗口，并且用來決定灌溉噴水系統的工作模式。ARM系統上電后，系統各模塊首先進行初始化，并通過程序設置各硬件模塊；完成一系列初始化設置后，系統進入節能模式(即休眠狀態)。當軟件查詢命令標志位為1或定時時間到時，系統會自動喚醒數據采集A/D口，開始收集信息并向PC機傳輸收集的信息，以便讓監測人員及時了解樹苗區土壤濕度情況。

3.2 STM32灌溉控制器的軟件設計

STM32灌溉控制器根據土壤濕度檢測量和目標濕度量決定噴灌控制閥門開發，系統以土壤濕度平衡方程為基礎，識別樹苗生長和天氣狀況，通過濕度平衡方程進行樹苗區水量濕度平衡運算，確定未來時間段的土壤濕度百分比，并由此確定灌溉時間和灌溉量。樹苗區的水量平衡方程為

(1)

圖6 STM32灌溉控制器軟件流程圖

STM32灌溉控制器程序主要包括采集數據和實行灌溉操作，各子程序獨立，調用方便，加大了軟件的運行效率以后可靠性。系統通電后進行初始化， 開始采集濕度傳感器的數據，并發回ARM嵌入式系統進行一系列天氣情況、樹苗需水數據對比，最后確定是否需要灌溉用量及灌溉用時時間。

4 PC上位機設計

PC上位機，即樹苗區灌溉管理軟件，可以直接發出操控整個系統的指令，軟件界面顯示濕度信號的變化以及各個灌溉閥門執行按鈕，在本設計中是很重要的環節，擔任著灌溉部分對各濕度傳感器的遠程管理工作，可以說是整個灌溉系統的樞紐。樹苗區灌溉管理軟件是基于STM327和Access數據庫開發的，構造簡單、操作方便。樹苗區灌溉管理軟件工作界面如圖7所示。

圖7 樹苗區灌溉管理軟件界面

樹苗區灌溉管理軟件界面主要包括串口傳輸、接收信息、發送信息及數據存儲模塊。監測人員通過上位機給系統發出控制指令，保證各模塊正常運行。

5 系統整體測試結果與分析

樹苗區灌溉管理系統主要控制灌溉總體水量和灌溉閥門開關，在整套節水灌溉系統中，根據樹苗生長用水特性，通過PC上位機樹苗區灌溉管理軟件提前將樹苗用水信息設置在控制系統軟件中，在樹苗土壤表皮10cm和30cm處分別安裝兩層濕度傳感器，實時監控樹苗區土壤濕度，將灌溉的閥門工作值設置為30%，結束閥門工作值設置為15%。系統在工作過程中的效果如圖8所示。10cm處濕度傳感器的檢測結果因樹苗的蒸發作用及天氣狀況的影響，濕度變化比30cm處檢測更大。樹苗灌水無線自動控制系統完美地將兩層土壤含水量控制在樹苗生長所需要的范圍內。在這個范圍內最大程度地減少灌溉用水的浪費，同時又很好地滿足了樹苗正常生長所需要的水分。

圖8 土壤水分含量控制調整圖

6 結論

基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自動控制系統，采集的信息和灌溉指令可以通過ARM系統傳送至STM控制器，并對樹苗區進行實時監測和實時灌溉，為樹苗生長提供了較好的濕度環境。在節約水資源的同時，解決了人工監測難度大、效率低下、灌溉不及時的缺點。經過一段時間的實際應用表明：該系統灌溉及時、準確，具有很好的實際用途價值。

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Intelligent Control System Design of Wireless Irrigation for Seedling Based on ARM and STM32

Liu Hongyan1, Zhang Mingwei1, Wei Chun2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China; 2.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China)

The global warming has become increasingly serious, the global water demand is rapidly expanding, and the water shortage is restricting the development of the global economy. In order to reduce the waste of water resources, to achieve high precision agriculture irrigation, it designed the saplings irrigation system of a wireless automatic control, introduced mobile data services based on a set microprocessor of S3C2410A,which can be through dynamic HMI (human machine interface).And it will be collected data to show to the operator. The system running results showed that the irrigation area monitoring system has reasonable design, operation reliable, practical and strong performance, good meet the sapling wireless automatic control irrigation requirements, whcih is an excellent solution to traditional irrigation water resources waste and poor stability problem.Finally,it has a high practical value in production and application in seedlings irrigation.

wireless irrigation; intelligent control; GPRS; S3C2410A;upper computer； seeding

2015-11-22

河南省科學技術廳項目(132102210229);武漢東湖學院教學改革項目(2015022)

劉紅艷(1980-)，女，河南濟源人，講師，碩士。

魏 純(1983-)，女，武漢人,講師，碩士，(E-mail)weichun1983@qq.com。

S274.2;TN929.5

A

1003-188X(2017)01-0132-05