劉瑞楠，鄭來芳，郝鵬翔

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原，030008）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、生活水平的提高，校園環(huán)境的建設(shè)也成為各個(gè)學(xué)校的校園建設(shè)重點(diǎn)。而各個(gè)學(xué)校的綠植覆蓋率也在逐漸增加，所以綠植的灌溉問題也日益凸顯[1-3]。傳統(tǒng)的綠植灌溉方式為人工灌溉或者以半自動(dòng)的灌溉方式為主，而這樣的灌溉方式極大的浪費(fèi)了水資源及人力資源。對于現(xiàn)階段對水資源的利用率，還有比較高的進(jìn)步空間，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合綠植灌溉的實(shí)際情況可非常好的解決傳統(tǒng)灌溉所遇到的問題[4-8]。本論文的綠植灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)WIFI 技術(shù)以及其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能綠植灌溉，同時(shí)也可以通過移動(dòng)端手機(jī)APP 來實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制綠植灌溉系統(tǒng)[9-11]。

1 校園綠植灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

本文設(shè)計(jì)的校園綠植灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。各區(qū)域DS18B20 溫度傳感器與各區(qū)域YL-69 土壤濕度傳感器采集相應(yīng)區(qū)域的溫、濕度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到STM32F407單片機(jī)中，單片機(jī)通過該區(qū)域植物生長數(shù)據(jù)通過PID 算法計(jì)算出該區(qū)域當(dāng)前所需灌溉的水量及適宜的灌溉速度，并通過水泵驅(qū)動(dòng)器控制水泵的抽取水量及抽水速度，同時(shí)控制電磁閥驅(qū)動(dòng)器打開需灌溉區(qū)域的電磁閥。之后將當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)、水泵及電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)通過ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)WIFI 模塊發(fā)送到移動(dòng)端手機(jī)APP。該設(shè)計(jì)作品可通過手機(jī)APP 發(fā)出灌溉指令，也可依托互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)指令。

圖1 校園綠植灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

2 校園綠植灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 感知層傳感器模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 YL-69 土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)

YL-69 土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可以長期埋設(shè)于土壤或堤壩內(nèi)使用，對表層和深層土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測和實(shí)時(shí)測量，與數(shù)據(jù)采集器配合使用。圖2為YL-69 土壤濕度傳感器的應(yīng)用原理圖。

圖2 YL-69 土壤濕度傳感器電路圖

2.1.2 DS18B20 溫度傳感器設(shè)計(jì)

DS18B20 溫度傳感器是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等其他測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求編程讀取溫度數(shù)據(jù)，可編程的分辨率為9～12 位。圖3 為DS18B20 溫度傳感器的應(yīng)用原理圖。

圖3 DS18B20 溫度傳感器電路圖

數(shù)據(jù)信息存儲在DS18B20 的兩個(gè)8 比特的RAM 中，二進(jìn)制中的前面5 位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5 位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5 位為1，測到的數(shù)值需要取反加1 再乘于0.0625 即可得到實(shí)際溫度。

例如：DS18B20 溫度傳感器數(shù)字輸出為1B8H，即：

實(shí)際溫度=1B8H＊0.0625=440＊0.0625=27.5℃

■2.2 傳輸層ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)WIFI 模塊設(shè)計(jì)

ESP8266 不僅可以發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，還可以接受服務(wù)器發(fā)過來的信息。同時(shí)，ESP8266還有三種工作方式以配合不同的應(yīng)用環(huán)境。STA 模式：ESP8266 WiFi 模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。AP 模式：ESP8266 WiFi 模塊模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，即可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無縫切換，方便操作。

本設(shè)計(jì)選用STA 模式，并應(yīng)用模塊的UART 串口功能以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與應(yīng)用端的數(shù)據(jù)透傳、遠(yuǎn)程控制。

■2.3 STM32 主控模塊設(shè)計(jì)

STM32F407 是由ST(意法半導(dǎo)體)開發(fā)的一種高性能微控制器。其采用了90 納米的NVM 工藝和ART(自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator)。并且集成了新的DSP 和FPU 指令，168MHz的高速性能使得數(shù)字信號控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達(dá)到了新的水平，提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

圖4 ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)WIFI 模塊電路圖

本設(shè)計(jì)根據(jù)STM32F407 的開發(fā)手冊繪制主控原理圖，選用25MHz 晶振，增加復(fù)位、啟動(dòng)電路，使實(shí)際應(yīng)用更加靈活。圖5 為MCU 部分原理圖。

圖5 STM32F407 主控模塊電路圖

■2.4 應(yīng)用層水泵、電磁閥設(shè)計(jì)

關(guān)于水泵及電磁閥的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 水泵、電磁閥模塊結(jié)構(gòu)圖

水泵驅(qū)動(dòng)器控制水泵從水源地取水，將水通過運(yùn)輸管道運(yùn)至各灌溉區(qū)域，電磁閥驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)控制當(dāng)前區(qū)域電磁閥是否開啟對該區(qū)域綠植進(jìn)行灌溉。這樣設(shè)計(jì)可對不同區(qū)域進(jìn)行同時(shí)灌溉控制。

3 校園綠植灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 STM32 程序邏輯設(shè)計(jì)

圖7 為STM32 單片機(jī)程序的邏輯框圖。

圖7 程序邏輯圖

■3.2 移動(dòng)端手機(jī)APP

為了方便實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行及綠植生長環(huán)境，設(shè)計(jì)簡易的移動(dòng)端手機(jī)APP，同時(shí)還可以人為的對應(yīng)用層設(shè)備進(jìn)行直接控制，圖8 為APP 界面。

圖8 APP 界面截圖

4 校園綠植灌溉系統(tǒng)測試

■4.1 傳感器實(shí)際應(yīng)用測試

4.1.1 YL-69 土壤濕度傳感器測試

對土壤濕度傳感器特性進(jìn)行測試時(shí)通過ADC 輸出電壓值，根據(jù)電壓值輸出情況對傳感器的特性進(jìn)行分析。將土壤濕度傳感器傳回的數(shù)據(jù)通過串口中斷服務(wù)程序?qū)⑵錅y試結(jié)果傳送在上位機(jī)上，經(jīng)過反復(fù)的測試，測試結(jié)果為濕度數(shù)據(jù)會隨著電壓值的增大而減小，在實(shí)際環(huán)境中傳感器傳回的濕度值總體變化波動(dòng)不大，電壓值、濕度數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。并且5V 時(shí)在極限環(huán)境中，傳感器在空氣中AO 讀取的值最大為1022，浸泡在水里的最小值245。傳感器返回值都正常，也說明土壤濕度傳感器通過測試。

4.1.2 DS18B20 溫度傳感器測試

DS18B20 啟動(dòng)后將進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)，當(dāng)需要執(zhí)行溫度測量和AD 轉(zhuǎn)換時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令［44H］完成溫度測量和AD 轉(zhuǎn)換，DS18B20 將產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個(gè)字節(jié)的形式存儲到高速暫存器的溫度寄存器中，然后將數(shù)據(jù)返回到單片機(jī)中。實(shí)際測試中通過傳感器傳輸數(shù)據(jù)及計(jì)算公式得出當(dāng)前環(huán)境實(shí)際溫度=1B8H＊0.0625=440＊0.0625=27.5℃。

通過與產(chǎn)品級溫度計(jì)對比，發(fā)現(xiàn)誤差在+0.2℃內(nèi)，驗(yàn)證了DS18B20 溫度傳感器工作正常。

■4.2 WIFI 模塊通信測試

將ESP8266 WiFi模塊選擇為STA模式，ESP8266 WiFi 模塊通過實(shí)驗(yàn)數(shù)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，并且與手機(jī)成功連接，在手機(jī)APP 中可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境實(shí)數(shù)據(jù)，并且可以通過手機(jī)APP 向STM32 單片機(jī)發(fā)送指令并控制水泵及電磁閥。WIFI 模塊通信測試通過。

■4.3 系統(tǒng)自動(dòng)灌溉測試

在實(shí)驗(yàn)數(shù)環(huán)境中模擬灌溉系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將濕度閾值設(shè)置為66%，溫度閾值設(shè)置為27℃，低于閾值時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)控制水泵及電磁閥進(jìn)行抽水灌溉，當(dāng)環(huán)境達(dá)到閾值時(shí)停止灌溉。在實(shí)際測試中，灌溉系統(tǒng)穩(wěn)定，并且可以針對不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)智能灌溉，系統(tǒng)實(shí)物如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物圖

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)，以STM32F407 芯片為核心設(shè)計(jì)校園綠植智能灌溉系統(tǒng)，通過在系統(tǒng)中應(yīng)用土壤溫濕度傳感器、溫濕度傳感器、水泵驅(qū)動(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)及 WIFI 模塊等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件功能;在Keil環(huán)境下開發(fā)完成各軟件功能模塊的設(shè)計(jì)以及配置。并通過串口上位機(jī)測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可根據(jù)不同區(qū)域、不同綠植設(shè)置不同的閾值自動(dòng)啟動(dòng)綠植灌溉功能，同時(shí)還可以用移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況及綠植生長環(huán)境情況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常，可以完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，并且運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了對水資源及人力資源的利用率。