基于STM32F103的温室花卉自动喷灌控制系统设计_免费论文全文下载

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摘要 针对温室大棚传统的灌溉存在水资源浪费、利用率低等问题，设计了一套自动喷灌控制系统。该系统以STM32F103单片机为核心，利用空气湿度传感器和土壤湿度传感器进行温室环境参数的实时采集，采集的数据送入单片机中，利用软件滤波算法和加权控制算法对数据进行处理，将处理后的数据与设置的限值进行比较，根据比较�Y果控制电磁阀实现喷灌工作。系统还具有参数设定、超限报警、数据存储和实时显示等功能。

关键词 STM32F103；花卉；土壤湿度；喷灌
中图分类号 S237 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）10-0164-02
Abstract For the problems of water resource waste and low utilization of greenhouses traditional irrigation，designed a set of automatic irrigation control system.The system with STM32F103 as the core，used air humidity sensor and soil humidity sensor for real-time acquisition of greenhouse environment parameters，data was sent to MCU，dealed with data by using the software filtering algorithm and weighted control algorithm，the processed data was compared with set limit.Sprinkler irrigation work was achieved by relay control solenoid valve.System had the functions of parameter setting，data storage and real-time display and transfinite alarm.
Key words STM32F103；flower；soil moisture；sprinkler irrigation
水资源缺乏是当今世界面临的主要重大问题之一，已引起各国关注。近年来，温室花卉生产发展迅速，目前绝大多数温室大棚的灌溉模式陈旧，水的利用率只有 45%。因此，在温室大棚中引入节水喷灌控制技术应用研究对促进我国水资源的可持续发展具有重要意义[1]。节水灌溉通过采用先进的灌溉方法和控制技术将水源尽可能均匀、适度地分配到作物根区土壤中，使土壤长期保持适宜于作物生长的水分、通气和营养状况等条件，从而达到提高水的利用率和节约用水的目的[2]。节水灌溉技术是我国水利发展的薄弱环节，是我国现代化农业生产应用中的不足，因而节水灌溉技术势在必行。
温室花卉生长发育与环境因素息息相关，其关键环境参数有空气温度、湿度、土壤墒情、CO2浓度和光照强度等。为使控制系统更加精确、稳定、可靠，本文选择空气湿度和土壤湿度为控制对象，根据二者的变化实时控制花卉的灌溉量，以达到温室花卉的自动喷灌控制的目的。
1 系统设计
1.1 系统硬件设计
系统硬件主要由STM32F103单片机、空气湿度传感器模块、土壤湿度传感器模块、按键模块、LCD液晶显示模块、报警模块、存储模块和驱动模块组成[3]。系统硬件结构如图1所示。
空气湿度传感器采用DHT11，其是一款校准数字信号输出的温湿度复合传感器，该传感器具有双功能，可同时测量温度和湿度，该传感器与单片机采用单线制串行通信，结构简单、响应速度快；土壤湿度传感器采用SM2801B，SM2801B是新一代土壤水分测量传感器，采用工业级精密核心原件，是一款高精度、高可靠性的土壤湿度传感器，与单片机通信采用RS485标准MODBUS-RTU协议；按键电路采用3个独立按键，分别为设置键、参数加键和参数减键，因为花卉在不同生长周期对空气湿度和土壤水分的需求情况不同，可通过按键模块设置各个时期的最佳环境参数；存储模块采用I2C总线接口的AT24C02芯片，保存设置后的参数，实现掉电保护；LCD液晶显示模块可实时显示空气湿度和土壤湿度[4]；报警模块采用扬声器，当环境参数越限时，单片机发出控制信号，驱动扬声器发声；当环境参数在正常范围内、驱动电路不动作、电磁阀关闭、参数接近越限时，单片机发出控制信号，驱动电路发出动作，电磁阀打开，开始灌溉。
1.2 系统软件设计
根据硬件电路设计，系统软件程序采用模块化编程思想，利用Keil uVision3开发环境，使用C51语言编写实现。系统主程序分为数据采集模块、按键扫描模块、显示模块、存储模块和控制输出模块。
1.2.1 系统主程序设计。系统上电首先初始化，然后调用按键扫描子程序，检测是否有按键按下，若有按键按下，LCD 显示进入相关参数（上下限值和权重）设置界面，并将设置好的参数保存在存储器AT24C02内；传感器实时采集环境信息，单片机对采集后的数据进行处理，调用滤波子程序，将滤波后的数据（空气湿度值和土壤湿度值）作为当前有效数据保存在单片机内部，并调用加权控制算法子程序，对空气湿度值和土壤湿度值加权求平均值，将该参数作为衡量环境的有效因子，与设置的上下限值做比较，以确定是否开始灌溉[5]。系统的工作流程如图2所示。
1.2.2 数据滤波子程序设计。考虑到现场环境恶劣、采样值受干扰较大，系统采用了软件滤波的方法保障系统的可靠性。工作原理是连续采样N次数据，从N个数据中去掉最大值和最小值，计算剩下N-2个数据的平均值，把求取的平均值作为当此采样数据的有效值[6-7]。具体编程实现方法是创建一个一维数组，数组的长度是N，根据经验，N的取值一般为10～13，采样的数据依次存入数组，当N个数据采满后，从中找出最大值和最小值，从数组中剔除，再求剩余数组元素的平均值。
1.2.3 加权控制算法程序设计。花卉是否需要灌溉是由多环境因素决定的。本系统选取空气湿度和土壤湿度的综合因子作为灌溉条件，以土壤湿度参数作为主要环境因子。具体实现方法是对有效空气湿度值和土壤湿度值加权求平均值，将求取的值作为综合环境因子[8]。空气湿度的权重范围为 0.2～0.4，土壤湿度的权值范围为0.6～0.8，2个权值和为1。不同季节权重取值也不同，可通过按键对权重灵活设置。
2 结论
通过实际应用，本文设计的基于STM32F103的温室花卉自动喷灌控制系统能够满足生产需求。系统采用软件滤波算法对空气湿度和土壤湿度进行处理，利用加权控制算法求取了2个环境参数的综合因子，达到了精准灌溉控制的效果。
3 参考文献
[1] 佟巍.我国水资源现状[J].才智，2012（6）：215.
[2] 冯广志.关于微灌技术研究与推广的几个问题[J].节水灌溉，2000（2）：6-8.
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[4] 龚时宏，李久生，李光永.微喷灌技术现状及未来发展重点[J].中国水利，2012（2）：66-70.
[5] 陈卫华.基于AT89C52单片机的智能微喷灌控制系统设计[D].天津：天津大学，2010.
[6] 崔天时，杨广林，刘磊，等.基于模糊控制的温室灌溉控制系统的研究[J].农机化研究，2010（3）：84-86.
[7] 王智乾.基于PLC的温室模糊灌溉控制系统研究[D].昆明：昆明理工大学，2012.
[8] 于华丽，赵晓顺，高立艾.温室节水自动喷灌系统的设计[J].农机化研究，2013，35（2）：98-100.

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