基于物联网技术的校园绿植灌溉系统设计

刘瑞楠，郑来芳，郝鹏翔

（太原工业学院电子工程系，山西太原，030008）

0 引言

随着经济、生活水平的提高，校园环境的建设也成为各个学校的校园建设重点。而各个学校的绿植覆盖率也在逐渐增加，所以绿植的灌溉问题也日益凸显[1-3]。传统的绿植灌溉方式为人工灌溉或者以半自动的灌溉方式为主，而这样的灌溉方式极大的浪费了水资源及人力资源。对于现阶段对水资源的利用率，还有比较高的进步空间，利用物联网技术结合绿植灌溉的实际情况可非常好的解决传统灌溉所遇到的问题[4-8]。本论文的绿植灌溉系统设计运用了传感器技术、单片机技术、物联网WIFI技术以及其他技术来实现全自动智能绿植灌溉，同时也可以通过移动端手机APP来实时监测、控制绿植灌溉系统[9-11]。

1 校园绿植灌溉系统总体设计概述

本文设计的校园绿植灌溉系统的设计框图如图1所示。各区域DS18B20温度传感器与各区域YL-69土壤湿度传感器采集相应区域的温、湿度数据并将其发送到STM32F407单片机中，单片机通过该区域植物生长数据通过PID算法计算出该区域当前所需灌溉的水量及适宜的灌溉速度，并通过水泵驱动器控制水泵的抽取水量及抽水速度，同时控制电磁阀驱动器打开需灌溉区域的电磁阀。之后将当前的传感器数据、水泵及电磁阀的运行状态通过ESP8266物联网WIFI模块发送到移动端手机APP。该设计作品可通过手机APP发出灌溉指令，也可依托互联网实时更新数据发出相应指令。

图1 校园绿植灌溉系统的设计框图

2 校园绿植灌溉系统硬件设计

■2.1 感知层传感器模块设计

2.1.1 YL-69土壤湿度传感器设计

YL-69土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可以长期埋设于土壤或堤坝内使用，对表层和深层土壤水分进行定点监测和实时测量，与数据采集器配合使用。图2为YL-69土壤湿度传感器的应用原理图。

图2 YL-69土壤湿度传感器电路图

2.1.2 DS18B20温度传感器设计

DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等其他测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求编程读取温度数据，可编程的分辨率为9～12位。图3为DS18B20温度传感器的应用原理图。

图3 DS18B20温度传感器电路图

数据信息存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如：DS18B20温度传感器数字输出为1B8H，即：

实际温度 =1B8H＊0.0625= 440＊0.0625= 27.5℃

■2.2 传输层ESP8266物联网WIFI模块设计

ESP8266不仅可以发送数据到服务器端，还可以接受服务器发过来的信息。同时，ESP8266还有三种工作方式以配合不同的应用环境。STA模式：ESP8266 WiFi模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。AP模式：ESP8266 WiFi模块模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。STA+AP模式：两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。

本设计选用STA模式，并应用模块的UART串口功能以实现移动端与应用端的数据透传、远程控制。

■2.3 STM32主控模块设计

STM32F407是由ST(意法半导体)开发的一种高性能微控制器。其采用了90 纳米的NVM 工艺和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time Memory Accelerator)。并且集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用和快速的产品开发达到了新的水平，提升控制算法的执行速度和代码效率。

图4 ESP8266物联网WIFI模块电路图

本设计根据STM32F407的开发手册绘制主控原理图，选用25MHz晶振，增加复位、启动电路，使实际应用更加灵活。图5为MCU部分原理图。

图5 STM32F407主控模块电路图

■2.4 应用层水泵、电磁阀设计

关于水泵及电磁阀的应用结构如图6所示。

图6 水泵、电磁阀模块结构图

水泵驱动器控制水泵从水源地取水，将水通过运输管道运至各灌溉区域，电磁阀驱动器负责控制当前区域电磁阀是否开启对该区域绿植进行灌溉。这样设计可对不同区域进行同时灌溉控制。

3 校园绿植灌溉系统软件设计

■3.1 STM32程序逻辑设计

图7为STM32单片机程序的逻辑框图。

图7 程序逻辑图

■3.2 移动端手机APP

为了方便实时监测系统运行及绿植生长环境，设计简易的移动端手机APP，同时还可以人为的对应用层设备进行直接控制，图8为APP界面。

图8 APP界面截图

4 校园绿植灌溉系统测试

■4.1 传感器实际应用测试

4.1.1 YL-69土壤湿度传感器测试

对土壤湿度传感器特性进行测试时通过ADC输出电压值，根据电压值输出情况对传感器的特性进行分析。将土壤湿度传感器传回的数据通过串口中断服务程序将其测试结果传送在上位机上，经过反复的测试，测试结果为湿度数据会随着电压值的增大而减小，在实际环境中传感器传回的湿度值总体变化波动不大，电压值、湿度数据基本稳定。并且5V时在极限环境中，传感器在空气中AO读取的值最大为1022，浸泡在水里的最小值245。传感器返回值都正常，也说明土壤湿度传感器通过测试。

4.1.2 DS18B20温度传感器测试

DS18B20启动后将进入低功耗等待状态，当需要执行温度测量和AD转换时，单片机发出指令［44H］完成温度测量和AD转换，DS18B20将产生的温度数据以两个字节的形式存储到高速暂存器的温度寄存器中，然后将数据返回到单片机中。实际测试中通过传感器传输数据及计算公式得出当前环境实际温度=1B8H＊0.0625= 440＊0.0625=27.5℃。

通过与产品级温度计对比，发现误差在±0.2℃内，验证了DS18B20温度传感器工作正常。

■4.2 WIFI模块通信测试

将ESP8266 WiFi模块选择为STA模式，ESP8266 WiFi模块通过实验数路由器连接互联网，并且与手机成功连接，在手机APP中可以实时显示当前环境实数据，并且可以通过手机APP向STM32单片机发送指令并控制水泵及电磁阀。WIFI模块通信测试通过。

■4.3 系统自动灌溉测试

在实验数环境中模拟灌溉系统进行实验测试，将湿度阈值设置为66%，温度阈值设置为27℃，低于阈值时，单片机自动控制水泵及电磁阀进行抽水灌溉，当环境达到阈值时停止灌溉。在实际测试中，灌溉系统稳定，并且可以针对不同区域实现自动智能灌溉，系统实物如图9所示。

图9 系统实物图

5 总结

本设计基于物联网技术、传感器技术以及单片机技术，以STM32F407芯片为核心设计校园绿植智能灌溉系统，通过在系统中应用土壤温湿度传感器、温湿度传感器、水泵驱动、电磁阀驱动及 WIFI模块等实现系统硬件功能; 在Keil环境下开发完成各软件功能模块的设计以及配置。并通过串口上位机测试，系统运行稳定，可根据不同区域、不同绿植设置不同的阈值自动启动绿植灌溉功能，同时还可以用移动端实时监测系统运行情况及绿植生长环境情况。经实验测试，该系统各部分运行正常，可以完全实现系统设计的功能，并且运行稳定，有效提高了对水资源及人力资源的利用率。