基于STM32的園林植物光伏智能灌溉裝置研究

摘" 要：針對現有園林植物灌溉方式水資源浪費嚴重，人工成本較高的問題，該文設計一種光伏智能灌溉裝置。該產品以STM32F103C8T6為主控芯片，有自動/手動/定時3種工作模式，使用土壤濕度、溫度傳感器實時檢測土壤濕度和溫度，根據設定溫濕度閾值范圍啟動和關閉水泵灌溉，并具有雨水感應停止灌溉和LED報警功能。該裝置利用光伏組件供電，節能環保、自動精準灌溉，大大減少水資源浪費和降低園林植物養護成本，為我國建設生態家園提供一種很好的方案。

關鍵詞：STM32；光伏；自動精準灌溉；溫濕度檢測；雨水感應

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）22-0014-04

Abstract： In view of the serious waste of water resources and high labor cost in the existing irrigation methods of garden plants， a photovoltaic intelligent irrigation device is designed in this paper. The product uses STM32F103C8T6 as the main control chip and has three working modes of automatic/manual/timing. It uses soil moisture and temperature sensors to detect soil moisture and temperature in real time， starts and shuts off water pump irrigation according to the set temperature and humidity threshold range， and has the functions of rain water induction to stop irrigation and LED alarm. The device uses photovoltaic modules for power supply， energy saving and environmental protection， automatic precision irrigation， which greatly reduces the waste of water resources and the maintenance cost of garden plants， and provides a good solution for the construction of ecological homes in our country.

Keywords： STM32; photovoltaic; automatic precision irrigation; temperature and humidity detection; rain water induction

我國高度重視發展生態文明，截至2022年12月，全國國家森林城市數量已達218個，全國100余個城市開展了國家園林城市建設[1]。我國園林綠化面積的日益增長，可大大提升生態質量，在降塵降噪、涵養水源、調節氣候等方面發揮重要作用[2]?，F今我國園林養護的方式大部分采用畦灌、溝灌、淹灌、漫灌、人工膠管澆灌和水車噴灑等傳統園林灌溉方式[3]，且高溫天氣時，人工灌溉次數和水量均增加，造成養護成本增加；我國的水資源分布不均勻且部分地區極度匱乏[4-5]，人均水資源僅為世界水平的1/4，現有澆灌方式粗放，水資源浪費嚴重。本文提出一種光伏智能灌溉裝置，使用新能源供電，節能環保，自動精準灌溉，減少了水資源的浪費和人工勞動力的成本支出，最終實現了園林植物養護成本的降低，取代傳統園林灌溉方式。

1" 功能要求

為滿足用戶的靈活性需求，整個裝置除了自動功能外，還增加定時和手動功能。自動灌溉主要采用土壤濕度和土壤溫度檢測的方式，當系統檢測到實際土壤濕度低于設定最小值或檢測土壤溫度高于設定最高溫度時，系統報警并對植物進行灌溉；當系統檢測土壤濕度高于設定最高值或檢測土壤溫度低于設定最低溫度值時，停止灌溉。園林綠化植物品種繁多，不同植物的適宜生長條件下對土壤濕度和溫度要求也是不同的，因此具有能根據不同植物進行土壤濕度和溫度范圍設置的功能。系統具有雨水感應功能，當下雨時，灌溉停止，雨停時，自動重啟工作。設備供電采用太陽能供電，要求夜晚或者陰雨天也能夠正常使用。

2" 系統總體設計

通過分析產品功能要求，整個系統由單片機主控模塊、電源模塊、土壤濕度檢測模塊、土壤溫度檢測模塊、雨水感應模塊、灌溉模塊、閾值報警模塊、顯示模塊和設置按鍵模塊組成，系統組成框圖如圖1所示。

電源模塊給除“設置按鍵模塊”之外的所有模塊供電。整個系統的傳感器有3類，分別是土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器和雨水感應傳感器。各類傳感器檢測模塊將檢測信息上傳給STM32主控模塊，由主控模塊結合設置按鍵設置數值，根據檢測結果，判斷是否啟動灌溉模塊灌溉及閾值報警模塊報警，同時將土壤濕度和溫度檢測狀態數據通過顯示模塊顯示。

設置按鍵模塊可以實現自動/手動/定時3種模式的切換設置；土壤濕度/土壤溫度閾值范圍數據設定；定時開/關時間的設定。當設定為自動模式時，系統自動根據實時檢測的各類傳感器數據，自動判斷是否報警和灌溉；設定為手動狀態時，按鍵啟動和停止灌溉；設定為定時狀態時，時間達到預定開啟時間時啟動灌溉，達到預定關閉時間則停止灌溉。

顯示模塊可以實現土壤濕度/土壤溫度實時檢測數據、設定土壤濕度/土壤溫度閾值范圍數據、工作狀態模式、時間和設定定時開關時間顯示。

3" 系統硬件電路設計

3.1" 單片機主控模塊設計

系統硬件的核心模塊為單片機主控模塊，主控模塊選用應用最廣泛的意法半導體的STM32F103C8T6型號單片機。該型號單片機工作電壓為2～3.6 V；工作溫度范圍為-40～85°；芯片引腳有48個，采用LQFP封裝[6-7]。主控模塊工作的最小系統由復位電路，時鐘電路及芯片組成。復位電路選擇10 kΩ電阻和0.1 ？滋F電容串聯，按鍵與電容并聯的組成形式。時鐘電路選擇連接2個外部晶振，1個是高速外部時鐘8 MHz的晶振，1個是低速外部時鐘32.768 kHz的晶振。

3.2" 傳感器檢測模塊設計

此處將系統組成中的土壤濕度檢測模塊，土壤溫度檢測模塊，雨水感應模塊均作為傳感器檢測模塊的組成。

3.2.1" 土壤濕度檢測模塊

產品自動灌溉判斷的指令來自于該檢測模塊數據，該模塊主要由土壤濕度傳感器組成。考慮產品成本，土壤濕度傳感器選擇應用廣泛、性價比高的YL-69電容型土壤濕度傳感器。該土壤傳感器可工作電壓范圍為3.3～5 V，使用時將2個金屬片插入土壤中，它在測量時相當于1個微小的電容，其電容值會隨著土壤濕度的變化而變化。該傳感器有2個連接引腳，使用時，1個引腳連接1個10 kΩ電阻和電源，輸出模擬信號AO，另1個引腳接地，將AO信號與STM32單片機ADC端口連接進行ADC轉換，獲得精準的土壤濕度數據。

3.2.2" 土壤溫度檢測模塊

土壤溫度檢測模塊主要由溫度傳感器組成。該傳感器檢測時，需要直接和土壤接觸，且土壤中含有水分，選用防水探頭型溫度傳感器更適合，最終該產品確定選用應用廣泛的防水探頭型DS18B20傳感器。該傳感器采用不銹鋼管封裝，帶有電纜和具有三防功能（防水/防潮/防生銹），能便捷地檢測潮濕環境，感溫范圍為-55～+125℃，檢測精度可以達到±0.5℃，內集成12位ADC，工作電壓范圍為3.0～5.5 V。該傳感器連接電纜輸出引線有3根，這3根引線分別為電源線，數據線和接地線。該傳感器輸出的是數字信號，其數據線必須要加1個2 kΩ的上拉電阻才能與STM32單片機連接。該模塊電路連接圖如圖2所示。

3.2.3" 雨水感應模塊

為避免下雨時系統還在灌溉，利用雨水感應模塊功能，下雨自動關閉灌溉，雨干后自動重啟。從簡化設計和成本角度考慮，使用簡易2根探頭來代替傳統雨水傳感器，實現雨水檢測功能。該模塊電路圖如圖3所示。LM393運算放大器起到比較器的作用，金屬探頭安裝時相隔2 cm距離，當沒下雨時，2個金屬探頭相隔一定距離，運算放大器反向輸入端沒有電壓，則輸出高電平；下雨時，水是導電介質，則兩探頭連接，使得運算放大器的反相輸入端電壓高于同相輸入端電壓，輸出低電平。該模塊利用輸出高低電平來達到雨水感應的作用。

3.3" 灌溉模塊

部分園林植物附近沒有水龍頭，這時需要使用蓄水箱儲存水源供給灌溉。此方案針對無水龍頭小型園林綠化區域灌溉進行設計，該系統灌溉模塊由水泵和控制電路組成。因綠化區域小，為節約能耗，水泵選擇小功率直流水泵，在此選擇1個工作電壓為5 V的直流潛水泵，流量為150 L/h，揚程1 m，功率1.2 W；控制電路由1個9012三極管、1個0.1 ？滋F電容和1個2 kΩ電阻組成。當需要啟動灌溉時，STM32單片機輸出低電平信號給三極管的基極，水泵得電，啟動灌溉；需要關閉灌溉時，單片機輸出高電平，使得三極管截止關閉，水泵失電，停止灌溉。該模塊電路圖如圖4所示。

3.4" 閾值報警模塊

該產品設定閾值模塊報警實現的現象是燈光閃爍報警，當檢測土壤濕度和土壤溫度未達到規定要求時，則該模塊啟動燈光報警。具體電路圖如圖5所示。當達到報警要求時，STM32單片機輸出一脈沖信號，9012三極管根據脈沖導通和截止，LED閃爍，報警啟動；當檢測數據達標時，則STM32單片機輸出高電平，9012三極管截止，9012截止，LED不工作，停止報警。

3.5" 顯示模塊

因該系統需要顯示的內容不復雜，主顯數據，從成本的考慮出發，顯示模塊選用市場占用率較高的LCD1602顯示屏。該顯示屏能夠顯示兩行數據，每行數據可顯示16個字符，可顯示字母、數字、符號等。該產品選用工作電壓為3.3 V的1602顯示屏。該模塊電路連接圖如圖6所示。

3.6" 設置按鍵模塊

該模塊設計選用4個獨立按鍵實現功能設定，各個按鍵從左到右排列，第一個按鍵S1實現設置參數“加”功能，第二個按鍵S2實現設置參數“減”功能；手動模式下水泵的開關功能，第三個按鍵S3實現自動/手動/定時模式切換功能;設置參數時選擇功能；第四個按鍵S4實現設置功能。每個按鍵分別連接STM32單片機一個IO口。

3.7" 電源模塊

該產品電源模塊由光伏組件、蓄電池、電源模塊控制電路（含蓄電池保護和DC-DC轉換電路）組成。模塊所需電壓主要為2種，1種是3.3 V電壓，該電壓供給STM32主控芯片、三大傳感器模塊、閾值報警模塊；另一種是5 V電壓，該電壓供給灌溉模塊。光伏組件有光時供電給蓄電池，蓄電池直接給該系統供電?？刂齐娐芬患壿敵鲭妷簽? V;另一電壓3.3 V由5 V使用AMS1117芯片DC-DC變換獲得。該系統蓄電池選用壽命長，大容量單節3.7 V的3 400 mAh 18650鋰電池供電；光伏組件選用6 V/6 W的鋼化玻璃層壓光伏組件；控制電路可以將3.7 V電壓升至5 V電壓，蓄電池過充保護電壓4.3 V，過放保護電壓為2.4 V，輸出電流可達1 A，可以滿足該系統工作電流要求。

4" 系統軟件設計

STM32單片機接收到三類傳感器檢測模塊輸入的數據信息，如何根據該信息進行灌溉和報警判斷，以及LCD顯示屏顯示信息，按鍵功能設置等都需要軟件程序的編寫。該系統軟件程序采用最常用的C語言程序編寫，使用KEL軟件進行編程、編譯和調試。該系統軟件程序主流程圖、灌溉報警子函數流程圖、定時開關灌溉子函數流程圖如圖7—圖9所示。

5" 結束語

針對園林植物養護現存的問題，本文設計了一種基于STM32的光伏智能灌溉裝置。該裝置主要利用土壤溫濕度及雨水檢測模塊實現自動灌溉。其解放了人力，充分利用太陽能資源，并可設定多種工作模式，操作應用靈活。該裝置可廣泛應用于園林，同時也可應用于城市家庭及農田等。后續可在該設計基礎上進行電磁閥灌溉設計或遠程控制及其他個性化功能定制，提高產品適用廣度和自動化程度。

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