基于物联网的智能精准喷灌控制系统的设计.pdf

新疆农机化圆园24 年第 1 期doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2024.01.009中图分类号:S275.5文献标识码:A0 引言伴随着我国日益增长的灌溉用水需求，缺水问题日趋严重。2022 年我国水资源总量为 5 998.2 亿 m3，其中农业用水量占总用水量的63%1。传统灌溉模式缺乏科学数据支撑，导致水肥不合理使用，出现资源浪费和土壤结构破坏等问题。同时，随着土地规模化经营，零散土地开始集中连片，单次灌溉成本较高，而我国灌溉方式落后，存在水资源利用不合理问题，因此对节水灌溉的需求非常迫切。精准喷灌系统是为了适应不同的被喷灌区域形状而提出的一种智能喷灌技术，当喷头旋转时，喷头的出水射程依照被喷灌区域的边界到喷头距离的规律变化。目前国内精准喷灌系统多用变频器和潜水电泵，由各种控制主板、检测及变送装置等组成。通过步进电机及其驱动装置完成对喷头喷射角度进行的（喷射角度）2；变频器用来调节潜水电泵交流电机的转速，通过变频器改变潜水电机的转速以及喷射距离，目前只精准到方形区域。本文设计了一种智能精准喷灌控制系统，该系统以 STM32系列芯片作为控制器，以普通手机终端作为上位机，上位机与下位机间进行通信及相关指令发送；该控制系统以不规则草坪或花圃等为对象，基于边缘进行逼近式喷灌设计，通过相关分析确定是否需要进行喷灌，设计出系统的硬件模块及相应的软件配置部分。1 系统总体设计方案文章编号院1007-7782渊2024冤01-0035-04基于物联网的智能精准喷灌控制系统的设计张 秀1，韩大龙2，吕志强3（1.酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000；2.新疆农垦科学院，新疆 石河子 832000；3.兰州理工大学新能源学院，甘肃 酒泉 735000）摘 要院本文研究基于物联网的智能精准喷灌控制系统，该系统以 STM32 微控制器和物联网技术为基础，对草坪或花圃上的植被生长环境进行实时数据采集，并且有规律的、有计划地对植被进行喷灌。该系统能够依据地形的区域形状进行边缘逼近式精准喷灌，避免对意外区域和物体进行喷洒，使水资源得到充分利用。关键词院物联网；STM32；精准喷灌DesignofintelligentprecisionsprinklerirrigationcontrolsystembasedonInternetofthingsZhangXiu1,Han Dalong2,Lv Zhiqiang3（1.Jiuquan Vocational and Technical College,Jiuquan,735000,Gansu,China;2.Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Shihezi,832000,Xinjiang,China;3.Lanzhou University of Technology/School of New Energy,Jiuquan,735000,Gansu,China)Abstract:Based on the Internet,the intelligent precision sprinkler irrigation control system was studied in this paper.This sys-tem was based on STM32 microcontroller and internet technology.The research result showed that this system could collectreal-time data on the vegetation growth environment on the lawn or flower garden,and regularly and systematically sprays thevegetation.According to the regional shape of the terrain,the edge approximation precision sprinkler irrigation can be carriedout to avoid the spraying of accidental areas and objects,so that the water resources can be fully utilized.Key words:Internet of things;STM32;Precision sprinkler irrigation通讯作者院韩大龙基金项目院2022 年甘肃省高等学校创新基金项目（2022B-474）修回日期院2023-12-14湿度传感器OLED 显示喷灌模块旋转编码器水泵WiFi 模块电源STM32单片机（控制器）温度传感器传感检测模块步进电机图 1 系统总体框图窑 节水灌溉 窑35援援新疆农机化圆园24 年第 1 期2.2.2 增量式旋转编码器单元本设计采用 HS08H38G-100BH-N2 增量式旋转编码器检测喷嘴的旋转角度并反馈给单片机，由单片机进一步处理。典型的增量式旋转器由码盘、检测网格、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换培养）组成5。如果码盘随被测旋转轴旋转，检测装置不动。光电管可通过编码盘和探测器上的间隙以及光电探测器上的辐本系统以 STM32（F103RCT6）芯片作为控制器，主要包括传感器检测模块、显示模块、喷灌模块、WiFi通信模块和电源模块5 个部分，系统总体框图如图1。2 硬件电路设计2.1 传感器模块温度信号采集应用DS18B20 温度传感器。土壤湿度测量采用 YL-69 传感器，该传感器有两种数据采集模式，一种是数字量采集，这种模式适用于数字量设置阈值时使用；另一种是模拟量采集，这种模式适用于显示其值3。本文采用第二种模拟量采集模式，将 A0 口与单片机 ADC123_IN1 通道 PC1 口相连（图 2）。2.2 喷灌模块设计喷灌模块由旋转编码器、微型水泵、步进电机、360毅旋转接头、管道及喷头等组成。由核心板驱动步进电机旋转，步进电机通过齿轮带动出水管道旋转。因出水管道镶嵌在旋转编码器中，所以步进电机旋转的同时旋转编码器也在旋转，旋转编码器将检测到的角度值反馈至单片机，单片机在经过图形边界函数及离散处理后将值送入 L298N 驱动模块来调节直流电机（水泵）的转速以改变射程。2.2.1 直流电机驱动单元采用微型水泵原动机为直流电机，用 L298N 模块做驱动，该模块电路图如图 3。用 PWM 对直流电机进行调速，设置输入端 IN1、IN2 端的电平状态来决定电机的旋转方向，将 PWM信号送入 ENA 端来调速。INVCCACVCCD2OUTR510 kR210 kD1LM3935678C1104OUTBINB-INB+VCCINA-INA+GNDOUTAR410 k1234VCCC2104土壤湿度探头R110 k1234R310 kINGNDOUTAC图 2 土壤湿度传感器电路图图3 L298N驱动模块电路图D921PA5L298N5710125611IN2IS ENBOUT2212121D10D11D8894231314115OUT3OUT4OUT1IN3IN4U7PA4PA6D13+212121D14D14D1221C20100uF12V+B1Motor5V+C18100uF+C190.1uFC210.1uFENAVSIN1ENBVSSGNDIS ENA窑 节水灌溉 窑36援援新疆农机化圆园24 年第 1 期3 边界函数的设计智能精准喷灌控制系统是为了适应不同的喷灌区域形状而研究的一种喷灌技术，当喷头 360毅旋转时喷头与水落地间的距离随喷洒区域形状的边界规律变化，可将规则边界图形视为正方形区域与三角形区域，如图 5。（a）正方形区域边界示（b）三角形区域边界注：O点为喷头位置；P点为动点，表示水落地点。图5 喷洒屈边界拟合形状示意当喷洒区域为正方形时，其区域的边界方程如式（1）1，当喷洒区域为三角形时，其区域边界方程如式（2）：=02姨cos（仔2-）（1）=02cos（仔3-）（2）式中实际射程，mm；0最大射程，mm；旋转角度，rad；当边界图形为正方形时沂0，仔/2）；当边界图形为三角形时 沂0，仔/3）。对于任意形状的边界方程，用式（3）表示，区域示意图如图 6：=（）（3）图6 任意图形的边界示意图增量式旋转编码器旋转一圈发出 100 个脉冲，将编码器的 A、B 两个端子接到单片机定时器 4 上，由定时器产生计数，将处理后的计数值送入形状区域方程作为 PWM 占空比的真值控制电机转速。具体控制关系如表 1。表1 PWM直流电机输入电压及射程间的关系ACBPODBCOPA射感应光和阴影的变化，并将光和阴影转换成类似正弦波的电信号，随后进行放大处理，改变脉冲信号。增量式转子通常有三组信号：A 相、B 相和 Z 相输出。在检测网格上切下两组透光间隙，用 1/4 节距隔开，使光电探测器的输出信号（A 相位和 B 相位）在 90毅。2.3 电源模块电源采用 DC-DC 可调降压模块，输出电压可以调至 1.2536V 之间，输入电压可以送入 438V 之间的电源，输出电压可通过模块上的电位器进行调节，输入输出电压差在 2V 左右。部分电路如图 4。L12154D16+C23105UF12V+5VC24105R1410KR2220UF50V23VCCFBSWGND47uH/5AVINU1LM2596SR153.3K220UF50VD15SS54C25105UF图4 DC-DC可调降压模块电路图OPAPWM（v/255）140150160170180190200210220230240250255电压（V）3.13.33.44.25.45.55.86.06.36.66.87.07.1射程（cm）300310320340360370380390400400400400400PWM（v/255）102030405060708090100110120130电压（V）0.10.20.30.40.50.61.12.12.22.32.42.62.8射程（cm）10308090110120130180200210220230280窑 节水灌溉 窑37援援新疆农机化圆园24 年第 1 期PWM 调速部分中 PWM 周期设置了一个 8bit 变量，总共 256 个数（V，255）其中 V 占的比例越大L298N 驱动板输出平均电压越大，电机转速越快，水泵射程越远，其中的 V 由形状区域方程的实际射程做相应处理得到。4 软件部分的设计4.1 系统主程序设计系统主程序包括步进电机驱动程序、直流电机（水泵）驱动程序、编码器计数与中断程序、YL69 湿度读取程序、DS18B20 温度读取程序、OLED 显示程序和通信程序等，系统主流程如图 7。图7 系统主流程图4.2 旋转编码器软件设计编码器软件设计是由编码器 A、B 相差 90毅，编码器旋转时通过先后 AB 相，产生方波，将其接入单片机TIM4 上产生计数来识别编码器旋转的角度；Z 相转一圈产生一次高电平，用于零位调整，Z 相在程序中做中断处理。A、B、Z三相对应的波形如图 8。图8 旋转编码器正转输出信号波形图5 试验结果与分析5.1 温尧湿度检测与显示将 OLED 显示 屏、YL69 土 壤 湿 度 传 感 器、DS18B20 温度传感器 3 部分的程序加载到同一个工程进行测试。将湿度检测插片放入湿巾时 OLED 显示屏上对应的湿度值会发生变化；用手捏住 DS18B20 温度计时 OLED 显示屏上对应温度也会发生变化。5.2 三角形区域的喷洒将编制完成的程序载入单片机，观察喷头旋转情况，用串口调试软件观察编码器返回值及做完三角形边界方程计算后的射程值。当喷头旋转 1/3 圈时，串口返回值角度从 0毅增加至 120毅，然后清零重新开始从 0毅增加，经过三角形边界函数计算后得出的射程在角度为 0毅时最大，随着角度的增加射程在逐渐减小，在角度增加至 60毅时射程降至最低，之后再随着角度的增加射程也逐渐增加，到120毅时射程增到最大值然后依次循环，循环三次时喷头刚好转够一圈，喷洒出来即可构成一个正三角形。三角形理论图形与实测图形函数如图 9。图9 三角形喷洒边界理论与实测函数理论计算出的波形与实际测得波形基本吻合，个别角度实际波形与理论波形略有误差，主要是由于程序执行及机械结构的响应存在延迟。总体来说，系统能够根据土壤湿度和温度的变化及时实施喷灌，并能根据给定三角形区域调整喷射角度和压力，实现边缘逼近精准喷灌。参考文献院1马雪芬袁孙敏.基于物联网的智能灌溉系统的设计J.南方农机袁2019袁49渊1冤院9袁25.2顾哲袁汤跃袁汤玲迪袁等.单片机控制的草坪喷头变域喷洒系统J.节水灌溉袁2015袁40渊2冤院63-71.3陈卫华.基于 AT89C52 单片机的智能微喷灌控制系统设计D.天津院天津大学袁2010.4陈羽白袁张杰袁赖荣光袁等.喷灌量与喷灌形状的精确控制方法及技术J.农业机械学报袁2004袁35渊2冤院84-88.5罗江涛袁李目袁李波袁等.基于物联网技术的智能喷灌控制系统设计J.现代信息科技袁2019袁3渊24冤院182-185袁188.OLED 昆示开机界面开始设置中断优先级掉电检测显示温湿度值步进电机正转读取编码器计数值确定区域形状湿度是否小于设定下限开启喷洒湿度是否大于设定上限停止喷洒YNN系统初始化YB 相Z 相A 相2/3实测值4/3240.1理论值角度（rad）窑 节水灌溉 窑38援援