基于STM32的智能灌溉系統

摘? 要： 土壤濕度是植物生長周期中最重要的環境因素之一，以其作為研究對象，開發出一款基于STM32的智能灌溉系統。系統以水位傳感器和土壤濕度傳感器作為數據采集的端，可將采集到的數據由ESP8266 Wi-Fi模塊發送到遠程終端的串口觸摸屏中顯示。并將決策信息反饋給由微型水泵、繼電器以及電磁閥的執行機構。本系統通過多次測試，調整系統閾值，系統不但可以實時監控植物的周圍環境參數，進行適時調節;還擁有成本低廉、安裝方便、用戶操作簡便等特點。

關鍵詞： STM32; ESP8266;智能灌溉;遠程監控

中圖分類號： TP273+.5; S274.2 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.038

本文著錄格式：成家駿. 基于STM32的智能灌溉系統[J]. 軟件，2020，41（07）：189-191

STM32 Based Terminal Controlled Intelligent Irrigation System

CHENG Jia-jun

（Software College of Shanxi Agricultural University， Jinzhong， Sanxi 030800， China）

【Abstract】： Soil moisture is one of the most important environmental factors in the growth cycle of plants. The system uses the water level sensor and the soil moisture sensor as the data acquisition end， and can send the collected data from the ESP8266 wi-fi module to the serial touch screen of the remote terminal for display.The decision-making information is fed back to the actuators of miniature pumps， relays and solenoid valves.This system through many tests， adjust the system threshold value， the system can not only real-time monitoring plant environmental parameters， timely adjustment.The equipment also has the advantages of low cost， easy installation and easy operation.

【Key words】： STM32; ESP8266; Intelligent irrigation; Remote monitoring

0? 引言

物聯網技術正以空前的速度應用于社會、經濟和生活的諸多領域，使人類社會步入了一個全新的高智能化時代，物聯網+農業也逐漸進入人們的視野，成為新時代綠色農業，高效農業的代名詞^[1]。近年來，我國的傳統種植業迎來了與物聯網結合發展的黃金時期，但由于長期以來我國種植業一直采取溝灌和漫灌等灌溉方法，致使滲漏和蒸發嚴重，灌溉水有效利用效率低，成為我國農業從相對傳統的灌溉方式發展到智能農業澆水系統，生產重心由粗獷分散的小農發展轉移到農業精量控制澆水及自動化控制系統的科學管理轉變的過程中亟待解決的問題。為此，筆者設計了一款智能灌溉系統，它不但可以讓人們擺脫傳統的灌溉技術，緩解我用水資

源緊缺的現狀，而且它的推廣對于節約水資源、水資源的二次利用、綠色農業等方面具有重要意義^[2]。

1? 系統總體框架圖

智能灌溉系統的總體框圖（圖1），系統由終端和中央轉接點組成。其中數據采集及處理模塊由水位傳感器和土壤傳感器組成，通信模塊由ESP8266對來實現，終端和主平臺由兩塊STM32分別控制，并且由串口屏做好人機交互^[3]。系統總體實現以STM32系列芯片為核心，利用土壤濕度傳感器采集植物周圍環境的相關數據，檢測當前植物的土壤濕度，再通過單片機控制相應的驅動負載進行灌溉，并通過蓄水池中的水位監測模塊進行水位監測，使蓄水池中的水低于預定閾值進行補水，接近預定閾值時自動停止，使蓄水池中的水位在一個預期的范圍之中。最后可以通過控制終端的多點觸摸電阻屏顯示當前的土壤濕度值和水位值，當需要對預定閾值進行調整時，通過觸摸設定相應的閥值，解決不同農作物在不同地區對于環境的要求，達到自動蓄水、自動灌溉的全自動農田灌溉解決方案。

2? 硬件設計

2.1? 主控芯片

終端和轉接點分別選用了STM32F103系列的ZET6和C8T6作為主控芯片，它們都是基于英國Acorn公司的Cortex-M3內核的32位不同型號的微控制器，引腳數分別為144 pin和48 pin，Flash容量分別有512 KB和64 KB，工作溫度都在–40～?? 85℃之間，大容量和中等容量增強型分別滿足了，兩個平臺對主控芯片定時器、ADC、UART、IIC、SPI等外設的需要。

2.2? ESP8266 Wi-fi模塊

主設備與終端的信息交互由ESP8266模塊來完成，ESP826-01是性能穩定且性價比極高的UART Wi-Fi透傳模塊，非常適合物聯網（IoT）領域的32位微處理器^[4]。ESP8266模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協議棧，可以通過AT指令對系統參數進行更改設置，從而建立串口Wi-Fi的傳輸方案。例如以“AT+CWMODE=2＼r＼n”用來配置模塊為STA模式。該模塊支持三種網絡模式，也就是STA、AP和AP&STA模式，STA模式是作為無線站點，通過路由器和互聯網產生連接，而AP模式是作為無線接入點，實現與站點的通信。本文兩個ESP8266模塊分別采用AP和STA模式達到數據互傳的目的。

重要配置函數：

（1）ESP8266_Net_Mode_Choos該函數用于模塊工作模式選擇：AP（Access Point）、STA（Station）、AP+STA，它有1個參數，返回一個bool值，選擇成功置1，選擇失敗為0。

AP：無線接入點，提供無線接入服務，允許其它無線設備接入，提供數據訪問，AP和AP之間允許相互連接。

SAT：站點，類似于無線終端，它可以連接到AP。

（2）ESP8266_JoinAP該函數用于ESP8266連接外部站點，它有2個char*參數，分別用于輸入無線接入點的ID和密碼。

ESP8266_BuildAP 該函數用于ESP8266建立拓撲節點，它有3個參數，分別用于輸入無線接入點的ID、密碼和Wi-Fi加密方式。

（3）ESP8266_Enable_MultipleId該函數用于設置ESP8266的連接模式。

（4）ESP8266_Link_Server該函數用于ESP8266連接外部服務器，它有3個參數，分別用于輸入連接服務器的IP地址，端口號，和服務器ID號。

（5）ESP8266_UnvarnishSend? 該函數用于使ESP8266進入透傳模式。

3? 軟件設計

3.1? 主程序

智能灌溉系統軟件采用C語言編程，利用STM32庫函數開發，編程工具為Keil uVision5，其軟件流程圖如圖2所示，主程序采用兩個獨立的閉環控制系統分別把土壤濕度和蓄水池水位進行自動檢測并自動采集，互不影響的分別與預設閾值進行比較，并控制相應的控制水泵輸出所期望的PWM波形達到控制水位和土壤濕度達到預期的目標，再把調整數據上傳到終端顯示屏模塊上進行實時監控和調整。

在計算機網絡方面系統整體拓撲結構為星型拓撲，終端單個主控芯片又控制多個采集模塊，將采集的單次數據由終端主控芯片進行由冒泡法排序并按比例去除最大值最小值并用歸一算法進行歸一，減小上傳中央轉接點數據，降低轉接點負荷。

3.2? HMI （Human Machine Interface）

HMI智能串口觸摸屏將用戶控制和界面顯示完美地分離開來，使用串口指令控制，人機交互界面的設計和制作由配套的上位機軟件完成，而下位單片機通過串口通信向觸摸屏傳輸控制指令就可以實現單片機對觸摸屏的顯示與控制，不需要編寫復雜的顯示代碼，極大地提高了工程師的開發效率，讓開發變得更加簡單^[5]。

在本文中HML串口觸摸屏是終端監控平臺的中樞模塊，向上接主控芯片，向下接通喇叭，提供著報警者和交互者的作用。這部分程序主要使用USART HMI軟件編程，主要實現系統的人機交互，串口觸摸屏界面主要由5個界面組成，分別是：鎖屏界面、解鎖界面、主界面、監控界面（圖4）和設置界面（圖3），考慮到移動設備的便捷性，編輯了鎖屏和解鎖界面;主界面用來選擇監控界面和設置界面;設置界面主要設置土壤濕度和蓄水閾值前兩行標定閾值范圍，當下方數據超過上方范圍時會停止變化，可以根據環境情況來更改系統閾值;監控界面數據由主平臺ESP8266模塊發送，監控終端接收并通過串口傳入數據，最后顯示到串口屏中。

相關的兩個重要函數包括：

（1）HMISends函數，字符串發送函數，該函數通常用于主控芯片向串口屏發送指令，調控相關控件的相應信息。

（2）HMISendb函數，16進制編碼發送函數，該函數主要用于主控芯片發送16進制控制符。

4? 結論

本產品經過多次試驗驗證，設計完成了基于STM32的終端控制智能灌溉系統，通過測試，HML電阻觸摸屏可以精確的顯示濕度和水位，可以的改變閾值，ESP8266間的通信穩定良好，基本實現預期目標。其性能可用于現代農業植株的灌溉，基本實現了節水灌溉，綠色農業的實驗目的。

參考文獻

1. 王向東， 陳學斌， 張愛敏. 物聯網在農業中的應用及前景展望[J]. 農學學報， 2016， 6（01）： 96-98. 09.

2. 馮筱. 基于物聯網的溫室花卉智能灌溉系統設計[D]. 曲阜師范大學， 2015.

3. 簡易土壤溫濕度環境檢測儀的設計與制作[EB/OL]. https：// www.jinchutou.com/p-69825203.html， 2020–02–27

4. 劉振. 基于STM32智能家居的無線網關設計與實現[D]. 浙江理工大學， 2017.

5. 牛立剛， 張月瑩， 胡志勇， 張彤. 基于Arduino的USAR?THMI智能串口觸摸屏的應用[J]. 機電信息， 2016（15）： 122-123.

6. 曹可欣. 基于單片機的小型自動灌溉系統的設計與實現[J]. 通信電源技術， 2018， 35（3）： 107-109.

7. 李德旺， 許春雨， 宋建成. 現代農業智能灌溉技術的研究現狀與展望[J]. 江蘇農業科學， 2017， 45（17）： 27-31.

8. 張長利， 李佼， 董守田. 基于STM32的灌溉遠程監控系統研究[J]. 東北農業大學學報， 2013， 44（08）： 105-1.

9. 4b-esp8266_at_command_examples_cn [EB/OL]. https：//www. espressif.com， 2020-02-27

10. STM32_RM_CH_V10_2 [EB/OL]. http：//www.st.com， 2020- 02-27

11. STM32F1開發指南-庫函數版本_V3. 1[EB/OL]. http：//www. openedv.com， 2020-02-27