基于ARM和STM32的树苗无线灌水智能控制系统设计

刘红艳，张明伟，魏 纯

(1.济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 459000;2.武汉东湖学院 电子信息学院，武汉 430212)



基于ARM和STM32的树苗无线灌水智能控制系统设计

刘红艳1，张明伟1，魏 纯2

(1.济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 459000;2.武汉东湖学院 电子信息学院，武汉 430212)

全球日益变暖带来的干旱问题越来越严重，而全球水资源需求迅速膨胀，水资源紧缺制约着全球经济的发展。为了减少水资源浪费，实现高精准农业灌溉，设计了一套无线自动控制的树苗灌溉系统，基于S3C2410A微处理器、移动数据业务,可以通过动态人机界面将采集到的数据展现给操作人员。系统运行结果表明：灌区监控系统具有设计合理、运行可靠、实用性强的特点，很好满足了树苗无线自控灌溉的要求，解决了传统灌溉水资源浪费大、稳定性差的问题，在树苗灌溉方面有很高的实际生产应用价值。

无线灌溉；智能控制；GPRS；S3C2410A；上位机；树苗

0 引言

水作为世界万物之源，是生物生存发展的基础，随着全球气候的不断恶化，水资源缺乏的问题越来越突出。近年来，我国北方的旱灾越来越严重，已严重制约农业经济的发展。我国在农业灌溉用水浪费率高达48%，与节水先进国家20%～30%的水平相差太大。因此，对树苗区湿度的自动检测，实现自动及时的灌溉，对合理利用水资源及节约用水有极其深远的意义。

近年来，随着我国经济的高速发展及我国对于科学技术的高度重视，使得科技信息领域发展迅速，将科学与信息技术应用到农业生产中，对提高农民收入，促进经济发展具有重要意义。本文提出一套基于ARM和STM32的树苗灌水无线自控系统，将ARM系统与GPRS通用分组无线服务技术完美结合，在利用ARM系统高性能、低功耗、低价格的同时，充分利用了GPRS实时通讯的优势，使得数据传输更加便捷可靠。通过树苗区湿度传感器和灌溉控制器准确有效地控制灌水量和灌水时间，实现对树苗区的合理灌溉，充分高效地利用水资源，为树苗的生长保证充足的水资源供给。

1 系统架构及其工作原理

树苗无线灌水自动控制系统可分为ARM微处理系统和STM32信号采集控制器两部分：ARM嵌入式系统结合利用STM32开发的PC上位机对树苗区土壤湿度实时监控，而STM32控制器接收指令后对树苗区进行高效节能的灌溉。

1.1 树苗无线灌水系统整体架构

基于树苗区面积、树苗高度、土壤湿度、给水系统的充分考虑，本文设计的无线自动控制树苗灌溉系统，架构如图1所示。其主要包括PC上位机、ARM处理系统、GPRS无线传输网络、STM32控制器、报警系统、湿度传感器网络和灌溉阀门执行网络。

图1 树苗灌溉系统整体结构图

1.2 系统工作原理

1)PC上位机作为整个控制系统的主控中心，连接嵌入式系统进行信息的接收与发送，实现对灌溉阀门开关的控制管理工作。在该系统中，上位机与底层网络采用一个控制多个网络的方式。

2)ARM微处理器作为到目前为止最受欢迎的ARM微处理器之一，可为技术要求高、成本要求苛刻的嵌入式应用提供可靠的高性能和灵活性，其处理信息功能强大，对本文灌溉系统精确的信息控制处理起着决定性的作用。

3)STM32控制器作为本设计中复杂的数字化管理部分，不仅检测和管理湿度传感器网络与灌溉阀门执行网络的运作，还要保证其通过GPRS无线网络与ARM嵌入式系统的通信。该控制器具有较高的运行速度，能较好地满足产品设计要求。

1.3 树苗区灌溉系统设计

基于ARM和STM32的树苗灌水无线自动控制系统应该具备以下特点:能采集湿度传感器的信息和接收ARM嵌入式系统发送到的指令并通过GPRS无线网络进行数据的传输。由于树苗区湿度传感器网络分布范围广，灌溉阀门执行网络也比较大，故控制系统需要采取灵活的灌溉控制方法，如图2所示。

图2 灌溉控制方法示意图

系统首先将湿度传感器网络采集的土壤湿度信息发送至STM32控制器，再通过无线网络传送至ARM嵌入式系统，然后通过RS-485串口线与PC上位机连接，将信息传输至PC上位机。工作人员提前在上位机上设置了树苗区灌溉用水量等参数，将采集到的树苗区土壤湿度值与设置的灌溉用水量进行比较，决定树苗区是否需要灌溉：当达到需要灌溉时打开灌溉阀门控制开关，对树苗区实施灌溉；当达到土壤湿度值时灌溉阀门执行网络关闭，停止对树苗区实施灌溉。上述过程不断重复，保证树苗区土壤湿度值在合适范围内，同时也避免了用水浪费。

2 树苗无线灌水系统硬件设计

2.1 ARM最小系统结构

除了嵌入式微处理器芯片本身，ARM最小系统还需要一些必备的外围元器件。一个 ARM 最小系统一般包括：①ARM 微处理器芯片；②电源供电电路、复位电路，晶振电路；③存储器(FLASH 和 SDRAM)；④UART(RS232及以太网)接口电路；⑤JTAG 调试接口。ARM最小系统结构如图3所示。

图3 ARM最小系统结构图

图3中：ARM最小系统的工作和控制中心采用S3C2410微处理器。电源部分1.8V电压为ARM处理器供电，3.3V为其他外围芯片供电。晶振电路部分为微处理器及其他电路提供工作时所需时钟信号。Flash存储器则用来存放嵌入式操作系统、用户操作程序及其他在系统掉电后需要保存的数据信息等。JTAG实际上是一种串并转换协议，用来完成ARM系统和PC上位机的通信。

2.2 STM32控制器

STM32控制器以STM32F107为处理器，STM32F10是ST公司推出的STM32互联型系列微控制器中的一款功能强大、性价比高的产品。STM32在引脚和软件上具有完美的兼容性，应用性能好。STM32的ADC转换时间极短、转换精度极高，特别适用于对数据采集和处理上有高标准要求的产品上，这也是选用STM32作信息集结点控制器中心的重要原因。STM32控制器架构如图4所示。

图4中：电源模块为整个系统提供电源，并且通过微处理器对电池充放电进行管理，可以延长电池的使用寿命。GPRS主要用来完成STM32控制器与ARM嵌入式系统的通讯功能。串口用来完成PC机与STM32控制器程序下载及调试功能。信号采集模块主要用来完成湿度传感器采集到的湿度值及驱动灌溉阀门开关。数据存储部分则用来存放程序及保存接收到的数据信息。人机交互部分主要控制LCD显示和完成按键指令的输入。

图4 STM32控制器架构图

3 树苗无线灌水系统软件设计

3.1 ARM系统软件设计

ARM系统软件运行流程如图5所示。ARM系统软件采用层次化结构设计，其程序主要用来完成数据信息的接收与传输，实现对灌溉浇水过程的实时监测与控制，通过串口与PC上位机通信。

图5 ARM系统软件设计

传输数据至PC监控显示窗口，并且用来决定灌溉喷水系统的工作模式。ARM系统上电后，系统各模块首先进行初始化，并通过程序设置各硬件模块；完成一系列初始化设置后，系统进入节能模式(即休眠状态)。当软件查询命令标志位为1或定时时间到时，系统会自动唤醒数据采集A/D口，开始收集信息并向PC机传输收集的信息，以便让监测人员及时了解树苗区土壤湿度情况。

3.2 STM32灌溉控制器的软件设计

STM32灌溉控制器根据土壤湿度检测量和目标湿度量决定喷灌控制阀门开发，系统以土壤湿度平衡方程为基础，识别树苗生长和天气状况，通过湿度平衡方程进行树苗区水量湿度平衡运算，确定未来时间段的土壤湿度百分比，并由此确定灌溉时间和灌溉量。树苗区的水量平衡方程为

(1)

图6 STM32灌溉控制器软件流程图

STM32灌溉控制器程序主要包括采集数据和实行灌溉操作，各子程序独立，调用方便，加大了软件的运行效率以后可靠性。系统通电后进行初始化， 开始采集湿度传感器的数据，并发回ARM嵌入式系统进行一系列天气情况、树苗需水数据对比，最后确定是否需要灌溉用量及灌溉用时时间。

4 PC上位机设计

PC上位机，即树苗区灌溉管理软件，可以直接发出操控整个系统的指令，软件界面显示湿度信号的变化以及各个灌溉阀门执行按钮，在本设计中是很重要的环节，担任着灌溉部分对各湿度传感器的远程管理工作，可以说是整个灌溉系统的枢纽。树苗区灌溉管理软件是基于STM327和Access数据库开发的，构造简单、操作方便。树苗区灌溉管理软件工作界面如图7所示。

图7 树苗区灌溉管理软件界面

树苗区灌溉管理软件界面主要包括串口传输、接收信息、发送信息及数据存储模块。监测人员通过上位机给系统发出控制指令，保证各模块正常运行。

5 系统整体测试结果与分析

树苗区灌溉管理系统主要控制灌溉总体水量和灌溉阀门开关，在整套节水灌溉系统中，根据树苗生长用水特性，通过PC上位机树苗区灌溉管理软件提前将树苗用水信息设置在控制系统软件中，在树苗土壤表皮10cm和30cm处分别安装两层湿度传感器，实时监控树苗区土壤湿度，将灌溉的阀门工作值设置为30%，结束阀门工作值设置为15%。系统在工作过程中的效果如图8所示。10cm处湿度传感器的检测结果因树苗的蒸发作用及天气状况的影响，湿度变化比30cm处检测更大。树苗灌水无线自动控制系统完美地将两层土壤含水量控制在树苗生长所需要的范围内。在这个范围内最大程度地减少灌溉用水的浪费，同时又很好地满足了树苗正常生长所需要的水分。

图8 土壤水分含量控制调整图

6 结论

基于ARM和STM32的树苗灌水无线自动控制系统，采集的信息和灌溉指令可以通过ARM系统传送至STM控制器，并对树苗区进行实时监测和实时灌溉，为树苗生长提供了较好的湿度环境。在节约水资源的同时，解决了人工监测难度大、效率低下、灌溉不及时的缺点。经过一段时间的实际应用表明：该系统灌溉及时、准确，具有很好的实际用途价值。

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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

河南省科学技术厅项目(132102210229);武汉东湖学院教学改革项目(2015022)

刘红艳(1980-)，女，河南济源人，讲师，硕士。

魏 纯(1983-)，女，武汉人,讲师，硕士，(E-mail)weichun1983@qq.com。

S274.2;TN929.5

A

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