基于STM32的水稻大田智能灌溉系统设计与实现

李艳红

(西安外事学院工学院，陕西 西安710077)

0 引言

作为种植过程中必不可少的步骤之一，水稻灌溉十分重要，且需保持一定的严密性。为保证水稻水分的供应，灌溉过程中应考虑水流的密集程度、灌溉持续时间、环境温度等参数变化，采取措施协调控制。对于水稻种植面积较大的农户，采用人工方式灌溉将耗费大量人力物力；我国现有的自动化灌溉装置存在一定缺陷，频频发生水资源的浪费现象。为保证资源可以重复利用，本文设计了水稻大田的智能灌溉系统。

1 水稻大田智能灌溉系统特征

水稻大田智能灌溉系统的各部分装置应均匀分布，并设置多组喷水装置，由控制箱控制。控制箱内含有显示屏，由中央处理器控制微控制器和喷水装置。微控制器可将数据上传至中央处理器，在保证不浪费水资源的前提下，实现农业灌溉的整体需求，达成良好的灌溉效果[1]。

1.1喷水装置

喷水装置由竖直管道、三通管及两个雾化喷头共同组成。三通管内部的竖直管口与管道转动连接，三通管内部的水平管口与雾化喷头相连接，竖直管道与输水管连通，共同构成喷水装置。为保证顺利喷水，应设定雾化喷头角度，在离心力与反作用力的共同作用下使水流旋转，从而将水喷洒至农田中。此外，喷洒装置具备一定的定位功能，其内部GPS定位模块可与微控制器连接，实现精准喷洒。

1.2蓄水装置

蓄水装置可为喷洒装置持续供水，实现不间断喷水。在中央控制器协调作用下，该装置中的进水管道可连通水井；通过蓄水装置中的液位传感器，可实现按液体静压与高度的比例控制喷洒速度和水流量，在保证水流密度的前提下实现稳定、准确灌溉[2]。

1.3控制系统

水稻大田智能灌溉系统中的控制系统，采用通信功能较强的LoRa通信模块，并与中央控制器形成电性连接。在该系统中，LoRa通信模块可充当中央控制器与用户终端的通信媒介，形成联系通道。该系统中的土壤湿度控制器，可将湿度数据上传至微控制器，微控制器将湿度数据与事先设定的湿度阈值相比较，当土壤湿度低于该值时，启动水泵。

2 水稻大田智能灌溉系统方案设计

2.1总体方案设计

水稻大田智能灌溉系统总体方案设计如图1所示，系统中包含STM32主控模块、传感器模块、电磁阀驱动模块、Wi-Fi通信模块及网络摄像头模块[3]。其中STM32主控模块是该系统的核心，协调控制该系统中各个模块的运行；传感器模块包含温湿度传感器，可获得土壤湿度数据，并将信息上传至主控单元；电磁阀驱动模块可控制水泵开关；Wi-Fi通信模块将数据信息上传至中央控制器，实现远程控制；网络摄像头模块可实现图像的采集，并将数据以视频的形式上传。

图1 智能灌溉系统总体方案设计框架Fig.1 Overall scheme design framework of intelligent irrigation system

2.2智能决策功能

基于STM32的水稻大田智能灌溉系统的运行模式分为智能、非智能两种模式。

非智能模式具有一定的灵活性，中央控制器下达的所有指令均可完成，并可细分为自动浇灌和手动浇灌。自动浇灌检测土壤的湿度，当湿度低于系统设定的阈值时，水稻大田智能灌溉系统将启动水阀，实现自动化浇水模式，无需人工看管；手动浇水可以由用户通过终端配置系统参数，根据用户设定的时间浇灌水稻。

相对于传统的非智能模式，智能模式更具优势。智能模式本质上是定时任务，灌溉系统按规定时间间隔检测土壤湿度，并利用模糊控制算法确定灌溉时间，系统按土壤湿度变化程度实施灌溉。当然，系统也允许用户通过终端向系统发送手动浇灌指令，系统将自动检测土壤湿度，并根据土壤状态自行确定浇灌时间，而后开始浇灌[4]。

2.3Cortex-M3和STM32技术要点

Cortex-M3处理器内核的优点是功耗低，其终端控制器采用中断架构，具有较快的反应速度，该处理器内核在操作执行开始与结束之间仅需12个时钟周期。STM32微控制器具有较高的性能，内含的驱动单元满足诸多领域的需求，可满足水稻大田智能灌溉系统的要求。

2.4Wi-Fi技术要点

Wi-Fi技术可整体提高水稻大田智能灌溉系统中各部分控制器的传输速率，在其覆盖范围内，可降低外界因素对系统产生的干扰，保证用户端设备具有稳定的信号接收能力。作为无线电技术，Wi-Fi在一定程度上可保证设备兼容性，Wi-Fi协议体系如图2所示[5]。

图2 Wi-Fi协议体系Fig.2 Wi-Fi protocol architecture

2.5网络摄像头技术要点

网络摄像头可通过网络将视频上传至中央控制器中，视频传输过程中需借助TCP/IP协议和嵌入式操作系统，将视频数据通过压缩的方式上传至用户终端，通过该方式可实现远程控制灌溉系统，进而实现灌溉系统智能化发展，从而实现高效灌溉[6]。

3 硬件设计

3.1数据处理/传输模块

数据处理采用S5PV210处理器，该处理器可提升系统整体性能，实现低成本、低消耗的工作模式。S5PV210处理器含有高质量的外部存储器接口，通过该接口可容纳通信系统涵盖的所有数据信息；S5PV210处理器含有的内核处理系统可支持多种工业标准操作系统。数据传输模块利用存储器CC2530将数据映射至外部存储器中，这样既保证程序代码正确性，又可重复利用数据；数据传输时，利用ZigBee协议保障数据的正常收发，有利于开发者实现高效率开发状态[7]。

3.2传感器模块

传感器模块指温湿度传感器，采用AM2321传感器，该传感器电路如图3所示。该传感器内含精密的温湿度测试元件，体积较小，响应速度极快，无需经过二次计算即可得到精准的数据，因此可实现低成本开发。

3.3系统控制模块及被控模块

选择STM32F103RBT6型号作为该系统的核心处理器，将中断响应速度控制在最短时间内，保证系统高性能、低功耗。被控模块选择L298电机驱动芯片，该芯片具有一定的兼容效果，具有较强的抗干扰能力[8]。

图3 AM2321温湿度传感器电路Fig.3 AM2321 temperature and humidity sensor circuit

3.4总体电源模块

STM32电源电压选择3.3 V，ZigBee模块及各部分处理器供电电压为5 V，其中AMS1117芯片可为其他芯片提供3.3 V直流电源。

4 软件设计

4.1无线ZigBee网络连接

水稻大田智能灌溉系统中各部分控制器及节点之间数据信息的传输均使用ZigBee通信技术。ZigBee通信技术的优势在于可将自身功耗降至最低，在IEEE 802.15.4协议的基础上，可实现短距离通信。无线ZigBee网络由路由器、协调器及终端设备组成[9]。

4.2水阀控制程序

灌溉过程中，喷洒装置实现水流的喷射，水流的密集程度由水阀控制。控制水流密集程度时，应通过中央控制器启动电机，接收到启动信息后，电机向水阀发送指令，该过程中通过传感器节点采集数据信息，且依据不同的水流密集程度，由调节程序做出相应的动作：处理器接收的数据超过阈值，系统将自动关闭水阀；处理器内接收的数据低于阈值，系统将放大水流密集程度，再由ZigBee模块将信息上传至主控CPU，由CPU控制电机调节水阀的开关，实现水稻大田智能化灌溉。该过程也可通过人工对调节阀进行控制。水稻大田智能灌溉系统的软件流程如图4所示。

5 仿真测试试验

5.1土壤湿度传感器电压值测试

为保证水稻大田智能灌溉系统的可操作性，需要测试土壤湿度传感器电压值，该值为模拟量输出的电压。根据水稻大田智能灌溉系统的电压输出数值，分析判断传感器功能。仿真测试前，需要在测试环境中设置相关参数。当土壤湿度传感器电压值低于系统中设定阈值时，触发中断处理程序，并将该次测试结果上传至显示屏。

多次测试结果表明，湿度数据将随着电压值的不断增大而减小，但总体趋于稳定状态[10]。

5.2远程控制功能测试

测试结果表明，该系统具有较强的稳定性，可使用用户终端实施远程控制，该控制通过ZigBee模块中的无线通信程序实现。系统正常运行，连接无线网后，用户可通过客户端发送指令。若指令无效，如发送无效指令“a、b、c、d”，则系统界面上显示其为无效指令；若指令有效，用户端将接收功能信息。

图4 水稻大田智能灌溉系统软件流程Fig.4 Software flow of rice field intelligent irrigation system

6 结束语

本文设计的智能灌溉系统，根据土壤湿度，实现了自动化灌溉；利用无线通信技术，实现了远程控制。仿真试验证明，该系统性能良好、低成本、低功耗，具有较高的实用价值，在未来发展中具有良好的市场前景。