劉紅艷，張明偉，魏 純

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000;2.武漢東湖學(xué)院 電子信息學(xué)院，武漢 430212)

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基于ARM和STM32的樹苗無線灌水智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉紅艷1，張明偉1，魏 純2

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000;2.武漢東湖學(xué)院 電子信息學(xué)院，武漢 430212)

全球日益變暖帶來的干旱問題越來越嚴(yán)重，而全球水資源需求迅速膨脹，水資源緊缺制約著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了減少水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉，設(shè)計(jì)了一套無線自動(dòng)控制的樹苗灌溉系統(tǒng)，基于S3C2410A微處理器、移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),可以通過動(dòng)態(tài)人機(jī)界面將采集到的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給操作人員。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，很好滿足了樹苗無線自控灌溉的要求，解決了傳統(tǒng)灌溉水資源浪費(fèi)大、穩(wěn)定性差的問題，在樹苗灌溉方面有很高的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

無線灌溉；智能控制；GPRS；S3C2410A；上位機(jī)；樹苗

0 引言

水作為世界萬物之源，是生物生存發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著全球氣候的不斷惡化，水資源缺乏的問題越來越突出。近年來，我國北方的旱災(zāi)越來越嚴(yán)重，已嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國在農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費(fèi)率高達(dá)48%，與節(jié)水先進(jìn)國家20%～30%的水平相差太大。因此，對(duì)樹苗區(qū)濕度的自動(dòng)檢測，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)及時(shí)的灌溉，對(duì)合理利用水資源及節(jié)約用水有極其深遠(yuǎn)的意義。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及我國對(duì)于科學(xué)技術(shù)的高度重視，使得科技信息領(lǐng)域發(fā)展迅速，將科學(xué)與信息技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)提高農(nóng)民收入，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。本文提出一套基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自控系統(tǒng)，將ARM系統(tǒng)與GPRS通用分組無線服務(wù)技術(shù)完美結(jié)合，在利用ARM系統(tǒng)高性能、低功耗、低價(jià)格的同時(shí)，充分利用了GPRS實(shí)時(shí)通訊的優(yōu)勢，使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷可靠。通過樹苗區(qū)濕度傳感器和灌溉控制器準(zhǔn)確有效地控制灌水量和灌水時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)樹苗區(qū)的合理灌溉，充分高效地利用水資源，為樹苗的生長保證充足的水資源供給。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及其工作原理

樹苗無線灌水自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為ARM微處理系統(tǒng)和STM32信號(hào)采集控制器兩部分：ARM嵌入式系統(tǒng)結(jié)合利用STM32開發(fā)的PC上位機(jī)對(duì)樹苗區(qū)土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，而STM32控制器接收指令后對(duì)樹苗區(qū)進(jìn)行高效節(jié)能的灌溉。

1.1 樹苗無線灌水系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于樹苗區(qū)面積、樹苗高度、土壤濕度、給水系統(tǒng)的充分考慮，本文設(shè)計(jì)的無線自動(dòng)控制樹苗灌溉系統(tǒng)，架構(gòu)如圖1所示。其主要包括PC上位機(jī)、ARM處理系統(tǒng)、GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、STM32控制器、報(bào)警系統(tǒng)、濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)和灌溉閥門執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

圖1 樹苗灌溉系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

1)PC上位機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主控中心，連接嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信息的接收與發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉閥門開關(guān)的控制管理工作。在該系統(tǒng)中，上位機(jī)與底層網(wǎng)絡(luò)采用一個(gè)控制多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的方式。

2)ARM微處理器作為到目前為止最受歡迎的ARM微處理器之一，可為技術(shù)要求高、成本要求苛刻的嵌入式應(yīng)用提供可靠的高性能和靈活性，其處理信息功能強(qiáng)大，對(duì)本文灌溉系統(tǒng)精確的信息控制處理起著決定性的作用。

3)STM32控制器作為本設(shè)計(jì)中復(fù)雜的數(shù)字化管理部分，不僅檢測和管理濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)與灌溉閥門執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作，還要保證其通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與ARM嵌入式系統(tǒng)的通信。該控制器具有較高的運(yùn)行速度，能較好地滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1.3 樹苗區(qū)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特點(diǎn):能采集濕度傳感器的信息和接收ARM嵌入式系統(tǒng)發(fā)送到的指令并通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。由于樹苗區(qū)濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)分布范圍廣，灌溉閥門執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)也比較大，故控制系統(tǒng)需要采取靈活的灌溉控制方法，如圖2所示。

圖2 灌溉控制方法示意圖

系統(tǒng)首先將濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的土壤濕度信息發(fā)送至STM32控制器，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至ARM嵌入式系統(tǒng)，然后通過RS-485串口線與PC上位機(jī)連接，將信息傳輸至PC上位機(jī)。工作人員提前在上位機(jī)上設(shè)置了樹苗區(qū)灌溉用水量等參數(shù)，將采集到的樹苗區(qū)土壤濕度值與設(shè)置的灌溉用水量進(jìn)行比較，決定樹苗區(qū)是否需要灌溉：當(dāng)達(dá)到需要灌溉時(shí)打開灌溉閥門控制開關(guān)，對(duì)樹苗區(qū)實(shí)施灌溉；當(dāng)達(dá)到土壤濕度值時(shí)灌溉閥門執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉，停止對(duì)樹苗區(qū)實(shí)施灌溉。上述過程不斷重復(fù)，保證樹苗區(qū)土壤濕度值在合適范圍內(nèi)，同時(shí)也避免了用水浪費(fèi)。

2 樹苗無線灌水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了嵌入式微處理器芯片本身，ARM最小系統(tǒng)還需要一些必備的外圍元器件。一個(gè) ARM 最小系統(tǒng)一般包括：①ARM 微處理器芯片；②電源供電電路、復(fù)位電路，晶振電路；③存儲(chǔ)器(FLASH 和 SDRAM)；④UART(RS232及以太網(wǎng))接口電路；⑤JTAG 調(diào)試接口。ARM最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ARM最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3中：ARM最小系統(tǒng)的工作和控制中心采用S3C2410微處理器。電源部分1.8V電壓為ARM處理器供電，3.3V為其他外圍芯片供電。晶振電路部分為微處理器及其他電路提供工作時(shí)所需時(shí)鐘信號(hào)。Flash存儲(chǔ)器則用來存放嵌入式操作系統(tǒng)、用戶操作程序及其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)信息等。JTAG實(shí)際上是一種串并轉(zhuǎn)換協(xié)議，用來完成ARM系統(tǒng)和PC上位機(jī)的通信。

2.2 STM32控制器

STM32控制器以STM32F107為處理器，STM32F10是ST公司推出的STM32互聯(lián)型系列微控制器中的一款功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的產(chǎn)品。STM32在引腳和軟件上具有完美的兼容性，應(yīng)用性能好。STM32的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間極短、轉(zhuǎn)換精度極高，特別適用于對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理上有高標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品上，這也是選用STM32作信息集結(jié)點(diǎn)控制器中心的重要原因。STM32控制器架構(gòu)如圖4所示。

圖4中：電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，并且通過微處理器對(duì)電池充放電進(jìn)行管理，可以延長電池的使用壽命。GPRS主要用來完成STM32控制器與ARM嵌入式系統(tǒng)的通訊功能。串口用來完成PC機(jī)與STM32控制器程序下載及調(diào)試功能。信號(hào)采集模塊主要用來完成濕度傳感器采集到的濕度值及驅(qū)動(dòng)灌溉閥門開關(guān)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分則用來存放程序及保存接收到的數(shù)據(jù)信息。人機(jī)交互部分主要控制LCD顯示和完成按鍵指令的輸入。

圖4 STM32控制器架構(gòu)圖

3 樹苗無線灌水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ARM系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ARM系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如圖5所示。ARM系統(tǒng)軟件采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其程序主要用來完成數(shù)據(jù)信息的接收與傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉澆水過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，通過串口與PC上位機(jī)通信。

圖5 ARM系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳輸數(shù)據(jù)至PC監(jiān)控顯示窗口，并且用來決定灌溉噴水系統(tǒng)的工作模式。ARM系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)各模塊首先進(jìn)行初始化，并通過程序設(shè)置各硬件模塊；完成一系列初始化設(shè)置后，系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)能模式(即休眠狀態(tài))。當(dāng)軟件查詢命令標(biāo)志位為1或定時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)喚醒數(shù)據(jù)采集A/D口，開始收集信息并向PC機(jī)傳輸收集的信息，以便讓監(jiān)測人員及時(shí)了解樹苗區(qū)土壤濕度情況。

3.2 STM32灌溉控制器的軟件設(shè)計(jì)

STM32灌溉控制器根據(jù)土壤濕度檢測量和目標(biāo)濕度量決定噴灌控制閥門開發(fā)，系統(tǒng)以土壤濕度平衡方程為基礎(chǔ)，識(shí)別樹苗生長和天氣狀況，通過濕度平衡方程進(jìn)行樹苗區(qū)水量濕度平衡運(yùn)算，確定未來時(shí)間段的土壤濕度百分比，并由此確定灌溉時(shí)間和灌溉量。樹苗區(qū)的水量平衡方程為

(1)

圖6 STM32灌溉控制器軟件流程圖

STM32灌溉控制器程序主要包括采集數(shù)據(jù)和實(shí)行灌溉操作，各子程序獨(dú)立，調(diào)用方便，加大了軟件的運(yùn)行效率以后可靠性。系統(tǒng)通電后進(jìn)行初始化， 開始采集濕度傳感器的數(shù)據(jù)，并發(fā)回ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行一系列天氣情況、樹苗需水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比，最后確定是否需要灌溉用量及灌溉用時(shí)時(shí)間。

4 PC上位機(jī)設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)，即樹苗區(qū)灌溉管理軟件，可以直接發(fā)出操控整個(gè)系統(tǒng)的指令，軟件界面顯示濕度信號(hào)的變化以及各個(gè)灌溉閥門執(zhí)行按鈕，在本設(shè)計(jì)中是很重要的環(huán)節(jié)，擔(dān)任著灌溉部分對(duì)各濕度傳感器的遠(yuǎn)程管理工作，可以說是整個(gè)灌溉系統(tǒng)的樞紐。樹苗區(qū)灌溉管理軟件是基于STM327和Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，構(gòu)造簡單、操作方便。樹苗區(qū)灌溉管理軟件工作界面如圖7所示。

圖7 樹苗區(qū)灌溉管理軟件界面

樹苗區(qū)灌溉管理軟件界面主要包括串口傳輸、接收信息、發(fā)送信息及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。監(jiān)測人員通過上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)出控制指令，保證各模塊正常運(yùn)行。

5 系統(tǒng)整體測試結(jié)果與分析

樹苗區(qū)灌溉管理系統(tǒng)主要控制灌溉總體水量和灌溉閥門開關(guān)，在整套節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，根據(jù)樹苗生長用水特性，通過PC上位機(jī)樹苗區(qū)灌溉管理軟件提前將樹苗用水信息設(shè)置在控制系統(tǒng)軟件中，在樹苗土壤表皮10cm和30cm處分別安裝兩層濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控樹苗區(qū)土壤濕度，將灌溉的閥門工作值設(shè)置為30%，結(jié)束閥門工作值設(shè)置為15%。系統(tǒng)在工作過程中的效果如圖8所示。10cm處濕度傳感器的檢測結(jié)果因樹苗的蒸發(fā)作用及天氣狀況的影響，濕度變化比30cm處檢測更大。樹苗灌水無線自動(dòng)控制系統(tǒng)完美地將兩層土壤含水量控制在樹苗生長所需要的范圍內(nèi)。在這個(gè)范圍內(nèi)最大程度地減少灌溉用水的浪費(fèi)，同時(shí)又很好地滿足了樹苗正常生長所需要的水分。

圖8 土壤水分含量控制調(diào)整圖

6 結(jié)論

基于ARM和STM32的樹苗灌水無線自動(dòng)控制系統(tǒng)，采集的信息和灌溉指令可以通過ARM系統(tǒng)傳送至STM控制器，并對(duì)樹苗區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和實(shí)時(shí)灌溉，為樹苗生長提供了較好的濕度環(huán)境。在節(jié)約水資源的同時(shí)，解決了人工監(jiān)測難度大、效率低下、灌溉不及時(shí)的缺點(diǎn)。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用表明：該系統(tǒng)灌溉及時(shí)、準(zhǔn)確，具有很好的實(shí)際用途價(jià)值。

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Intelligent Control System Design of Wireless Irrigation for Seedling Based on ARM and STM32

Liu Hongyan1, Zhang Mingwei1, Wei Chun2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China; 2.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430212, China)

The global warming has become increasingly serious, the global water demand is rapidly expanding, and the water shortage is restricting the development of the global economy. In order to reduce the waste of water resources, to achieve high precision agriculture irrigation, it designed the saplings irrigation system of a wireless automatic control, introduced mobile data services based on a set microprocessor of S3C2410A,which can be through dynamic HMI (human machine interface).And it will be collected data to show to the operator. The system running results showed that the irrigation area monitoring system has reasonable design, operation reliable, practical and strong performance, good meet the sapling wireless automatic control irrigation requirements, whcih is an excellent solution to traditional irrigation water resources waste and poor stability problem.Finally,it has a high practical value in production and application in seedlings irrigation.

wireless irrigation; intelligent control; GPRS; S3C2410A;upper computer； seeding

2015-11-22

河南省科學(xué)技術(shù)廳項(xiàng)目(132102210229);武漢東湖學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(2015022)

劉紅艷(1980-)，女，河南濟(jì)源人，講師，碩士。

魏 純(1983-)，女，武漢人,講師，碩士，(E-mail)weichun1983@qq.com。

S274.2;TN929.5

A

1003-188X(2017)01-0132-05