行走式多功能喷灌系统设计

张建刚

摘要：本文就基于温室大棚的行走式多功能喷灌系统进行了硬件设计、软件设计和系统测试，设计实现了自动行走式智能喷灌，喷洒和灌溉均匀度高、覆盖范围广，有效提高了农药化肥和水资源利用率，降低了喷灌死角范围。

Abstract： In this paper， the hardware design， software design， and system testing of the walking multifunctional sprinkler irrigation system based on the greenhouse are designed to realize the automatic walking intelligent sprinkler irrigation. The spraying and irrigation uniformity is high， the coverage is wide， and the pesticide fertilizer and water resource utilization are effectively improved， and the dead angle range of sprinkler irrigation is reduced.

关键词：行走式;喷灌技术;传感器;温室大棚

Key words： walking type;sprinkler irrigation technology;sensor;greenhouse

中图分类号：TP212.6                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）06-0177-03

0  引言

2017年2月5日，中共中央国务院一号文件公布，文件要求加大推行绿色生产方式，增强农业可持续发展能力，大规模实施农业节水工程，发展设施农业，精准农业，深入农业生产现代化建设。

随着现代社会的发展，农业进入现代化科学农业发展阶段，而温室大棚也越来越成为农业科学发展的重要部分。随着温室大棚建设规模的不断扩大以及各种农产品品种日趋多样性，对温室大棚的喷灌技术提出了更高要求，以往的人工喷灌方式无论在资源使用效率上、人力成本和时间上都显示出了极大的局限性，现代温室越来越需要有先进的农药和营养液喷洒、节水灌溉设施，以满足温室内作物的生长需求。

1  系统硬件设计

1.1 湿度传感器选择

SHT20介绍：湿度传感器选用SHT20传感器，SHT20数字温湿度传感器，是基于数字传感技术的硬件，数据具有极高的有效性，设备也具有长期稳定性。双线数字接口并可以直接连到单片机上，简化了外围的电路进一步降低的成本。SHT20湿度传感器，功耗非常小且被浸泡也可以使用，性价比高，使用该产品可以应用于各种场合。

SHT20通讯：SHT20温湿度传感器采用的是标准的 IIC协议进行通讯。启动传输状态（S）-当时钟信号线为高电平时，数据线由高电平转换为低电平;停止传输状态（P）-当时钟信号线高电平时，数据线上从低电平转换为高电平。

1.2 芯片选择

芯片介绍：设计中选用主控芯片是STM32F103系列增强型微控制器STM32F103C8T6。此芯片一个嵌入在八兆赫的RC振荡器;一个自带精确校准的三十二兆赫的RTC振荡器;一个高级定时器，三个普通定时器，这几个定时器又各自带有四个通道，方便进行输入和输出。

主控电路设计：主控电路是由主控芯片STM32F103C8T6单片机，时钟电路及复位电路三部分构成的STM32F103C8T6最小系统。其中时钟电路是为STM32F103C8T6单片机提供脉冲信号;芯片集成还有定时器、UART、CAN、ADC、USB、SPI、I2C等多种功能。

1.3 电机驱动选择

电机这里选用L298N电机驱动模块。将L298N与单片机连接在一起，直接用单片机的I/O口提供信号，单片机更容易控制，电路更加简单。可以很方便的通过改变输入端的逻辑电平来实现电机的正转与反转。

1.4 显示模块设计

这里选择TFT-LCD模块，TFT是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。

1.5 通信模块选择

nRF24L01介绍：無线通信模块采用价格低廉的nRF24L01射频芯片。该芯片可以低速输入数据，待数据输入完毕后，高速发出，数据在空中停留时间短，从而达到降低功耗，提高抗干扰能力。

引脚功能：在nRF24L01中，共有20个引脚，每个引脚也有着不同的作用。其工作原理：模式控制引脚由CE、CSN、IRQ、MISO、MOSI、SCK六个引脚来控制nRF24L01芯片的工作模式。

当nRF模块准备发送数据时，先将模块切换为发射模式，当CSN为低电平时，TX_PLD才可以写入;当nRF模块准备接收数据时，先把模块切换为接收模式，在一百三十微秒延迟后进入到接收状态，如果发送来的地址和CRC正确的话，接收到的数据就会存在RX_FIFO之中，而RX_DR置为高电平，IRQ就会变低，这样就会产生中断，而MCU就被告知需要去读取数据。

2  系统软件设计部分

2.1 系统架构

本系统主要是由SHT20传感器采集出所测土壤中湿度的含水量，再通过信号转换，将采集得出的数据转换为数字信号，最后发送给单片机X，单片机A控制的NRF无线模块X，发送无线信号给另一NRF无线模块Y，NRF無线模块Y接收到无线信号，发送给单片机B，从而实现无线信号传输。单片机再驱动小车移动到指定位置，实施定点喷灌。其主程序流程图如图1所示。

2.2 无线程序设计

无线模块发送程序设计：首先需要将无线芯片进行初始化处理，然后将CE电平拉低，使芯片处于空闲待机状态，通过SPI总线与nRF无线收发模块进行数据通信，使用SPI总线配置nRF无线收发模块的工作模式。无线模块发送的程序流程图如图2所示。

无线接收程序设计：先初始化nRF24L01无线收发模块，将CE电平拉低使芯片进入待机模式，然后配置nRF24L01为接收数据模式，写入接收地址，配置接收频率及数据宽度。无线接收程序流程图如图3所示。

2.3 显示程序设计

本设计中图形交互界面采用数据驱动。将需要显示的数据发送到屏幕的缓存区中，屏幕自动将数据显示屏幕上。显示程序流程图如图4所示。

2.4 传感器程序设计

SHT20的第一个引脚为GND，第四引脚为VDD。其他的两个引脚中，第二个DATA引脚是SHT20的数据引脚，第三个SCK引脚是SHT20的时钟控制引脚。SHT20传感器与STM32单片机接线如图5所示。

3  系统主要功能测试

这里需要把每一个模块单独分开进行调试，在调试成功以后，再将各部分连接起来。系统的调试主要分为软件调试、硬件调试。

硬件调试：硬件调试首先需要检测每一个电源的电路，在焊接完电源电路后，先不通电，检测确定正确后，才可通电调试。

软件调试：软件调试主要根据流程图，确定好软件的流程，然后调试;在调试的过程中应当分步合并程序，不可一次将全部程序合并在一起调试。

4  结论

本设计系统实现了以下几点改进：一是设计的特色在于温室大棚的灌溉系统实现了智能化行走，打破传统全大棚管道喷灌系统效率不高，难以精准控制灌溉量，无法达到水肥一体化，劳动强度高的限制;二是通过传感器实时监测土壤温湿度，根据环境温湿度等具体情况，对农作物生长目标区域进行实际调控，提高灌溉效率，保证农作物生长品质，降低人为介入强度;三是科学化的喷灌方式符合国家绿色农业发展要求与社会发展需要，有效减少水资源浪费，避免化肥农药使用过度造成环境污染等情况。

参考文献：

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[4]张玉伟.基于STC单片机的智能温湿度控制器的设计与实现[D].河北：河北工业大学，2011.