基于STM32的设施番茄智能滴灌系统设计*

江苏农林职业技术学院 许燕萍 陈磊 朱辉 周东臣

在水资源匮乏的背景下,温室蔬菜的种植中广泛应用滴灌为主的节水灌溉技术。本文阐述了智能滴灌系统的原理,介绍了主要硬件模块设计。

0 概述

在水资源匮乏的背景下,温室蔬菜的种植中广泛应用滴灌为主的节水灌溉技术,提高了水份利用效率,提高了温室蔬菜的产量及品质。在番茄的苗期、开花坐果期和成熟采摘期合理的控制土壤水份,使光合产物向有利于产量的方向发展。设计一套基于STM32的设施番茄智能滴灌控制系统,能够测量土壤的温度、湿度、光照强度,远程控制,避免了水资源的浪费,节省了人力资源投入[1]。

1 系统总体设计

1.1 功能需求分析

本系统需要考虑一下几方面的内容:

(1)保证系统在长时间运行后依然能正常工作,且掉电数据不丢失。

(2)系统能准确采集传感器信号、数据传输,上位机准确实时显示下位机采集的数据。

(3)实时性要好,当传感器检测模块检测到外部环境缺水时系统能够立即打开电磁阀门,对设施番茄进行滴灌。

1.2 系统总体方案设计

如图1所示,为系统总体结构框图。光照强度传感器、土壤湿度传感器和土壤温度传感器组成环境采集模块,STM32对三个传感器采集的数据进行处理,控制电磁阀开启,同时将处理后的数据通过Zigbee模块或者RS485模块传输给上位机,用户可以在上位机观察下位机的数据,并能通过上位机控制滴灌系统的运行。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

2 系统硬件设计

2.1 STM32简介

STM32是ST公司开发的32位的微控制器,是基于Cortex-M3内核的MCU。本系统选用的型号为STM32F 103VET6,最大工作频率为72MHz,具有256KB～512KB的Flash存储空间,有三种低功耗模式分别是睡眠、停止和待机。最多有112个快速I/O口,11个定时器,多达13个通信接口,2个12bit D-A转换器和3个12bitA-D转换器。

越来越多的电子产品使用STM32微控制器作为主控的解决方案,涵盖智能硬件、智慧城市、智能家居、智慧工业、智能驾驶等领域[2]。

2.2 RS485模块

RS-485是一种工业控制环境中常用的通讯协议,它具有抗干扰能力强、传输距离远的特点。RS-485通讯协议由RS-232协议改进而来,协议层不变,只是改进了物理层,因而保留了串口通讯协议应用简单的特点。RS-485通讯网络的最大传输距离可达1200m,总线上可挂载128个通讯节点,而由于RS-485网络只有一对差分信号线,它使用差分信号来表达逻辑,当AB两线间的电压差为-6V～-2V时表示逻辑1,当电压差为+2V～+6V表示逻辑0,在同一时刻只能表达一个信号,它的通讯是半双工形式的[3]。

如图2所示为RS485模块电路图。电阻R2为终端匹配电阻,阻值为120欧姆。R1和R3为偏置电阻,确保在静默状态时RS-485总线维持逻辑1高电平状态。RO和DI分别为数据接收与发送引脚,用于连接MCU的USART外设。RE和DE分别为接收使能和发送使能引脚,与MCU的GPIO引脚相连。A,B两端用于连接RS-485总线上的其他设备。表1为功能引脚描述。

图2 RS485模块电路Fig.2 RS485 module circuit

表1 RS-485收发器芯片的引脚功能描述Tab.1 Pin function description of RS-485 transceiver chip

2.3 电磁阀模块

如图3为电磁阀驱动模块电路。电磁阀是由STM32F 103VET6通过继电器来间接控制。图中817C为光电耦合器,1,2脚是控制端,内部是一个发光二极管,3,4脚是受控端,内部是一个光敏三极管。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器,由于它具有体积小、寿命长、无触点,抗干扰能力强,输出和输入之间绝缘,单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。继电器的COM端接系统电源,常开端NO接电磁阀的电源输入。当STM32F103VET6输出1高电平,COM端和NO端吸合,系统电源为电磁阀供电,实现滴灌功能,当STM32F103VET6输出0低电平,COM端和NO端断开,电磁阀得不到供电,实现停止滴灌。

图3 电磁阀驱动模块Fig.3 Solenoid valve drive module

2.4 传感器采集模块

土壤的温湿度对于本滴灌系统是一个重要的参数,因为滴灌量和滴灌的时机都是根据土壤的温湿度信息得来的。本系统采用的土壤温湿度传感器如图4所示。可长期埋入土壤中,耐长期电解、耐腐蚀,传感器防护等级IP68,可以将传感器整个泡在水中。温度测量范围-40℃～80℃,精度±0.5℃,湿度测量范围0%RH～100%RH,精度±3%。选定合适的测量地点,避开石块,确保钢针不会碰到坚硬的物体,按照所需测量深度抛开表层土,保持下面土壤原有的松紧程度,紧握传感器垂直插入土壤,插入时不可左右晃动,钢针必须全部插入土壤中,一个测点的小范围内可多次测量求平均值。避免强烈阳光直射到传感器上而导致温度过高。

图4 土壤温湿度传感器Fig.4 Soil temperature and humidity sensor

本系统中的光照强度传感器采用的是ROHM的BH1750FVI数字光照传感器模块,光照强度范围为:0-65535lx,传感器内置16bit模数转换器,直接数字输出,可以省略复杂计算,内容包含通信电平转换,与STM32连接,光照强度传感器电路接口如图5所示,其中P4是光照强度传感器的接口端子,1脚和3.3V电源相连接,4脚和GND相连接,2脚是时钟引脚,3脚是数据引脚,5脚是IIC设备地址引脚。

图5 光照度传感器电路接口Fig.5 Circuit interface of illuminance sensor

3 结语

以STM2为控制核心的智能滴灌系统,可以应用于设施番茄、草莓等种植,可以节约水资源,并能够根据作物在不同时期的需水量进行滴灌促进作物生长,提高产量及果实品质。

引用

[1] 郑志建.基于STM32的自动滴灌系统研发[D].海尔滨:黑龙江大学,2018.

[2] 张崇礼.基于STM32的远程智能灌溉系统[D].秦皇岛:燕山大学,2017.

[3] 刘浩.温室番茄需水规律与优质高校灌溉指标研究[D].北京:中国农业科学院,2010.