基于物联网的智能精准喷灌控制系统的设计_张秀.pdf

新疆农机化2024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 A 0 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m 3 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 1007 7782 2024 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 本文研究基于物联网的智null精准喷灌控制系统 null系统以SnullM32微控制null和物联网技术为基础 对null坪null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 null系统nullnull依据地null的区域nullnull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null分利用 关键词 物联网 SnullM32 精准喷灌 Designofintelligentprecisionsprinklerirrigationcontrol systembasedonInternetofthings nullhangXinull 1 nullnullannullanullong 2 nullnullvnullhiqiang 3 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 BanulledontheIntenullnetnulltheintenullnulligentpnullecinullionnullpnullinknullenullinullnulligationcontnullonullnullnullnulltemwanullnulltnulldiedinthinullpapenull nullhinullnullnullnull temwanullnullanulledonSnullM32micnullocontnullonullnullenullandintenullnettechnonullognull nullhenullenulleanullchnullenullnullnulltnullhowedthatthinullnullnullnulltemconullnulldconullnullect nulleanull timedataonthevegetationgnullowthenvinullonmentonthenullawnonullfnullowenullganulldennullandnullegnullnullanullnullnullandnullnullnulltematicanullnullnullnullpnullanullnullthe vegetation nullcconulldingtothenullegionanullnullhapeofthetenullnullainnulltheedgeappnulloximationpnullecinullionnullpnullinknullenullinullnulligationcannullecanullnullied onullttoavoidthenullpnullanullingofaccidentanullanulleanullandonulljectnullnullnullothatthewatenullnullenullonullnullcenullcannullefnullnullnullnullnulltinullinulled Key words IntenullnetofthingnullnullSnullM32nullnullnullecinullionnullpnullinknullenullinullnulligation 通讯作者 韩大龙 基金项目 2022年甘肃省高等学校创新基金项目 2022B 474 修回日期 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 节水灌溉 35 新疆农机化 2024年第1期 2 2 2 增量式旋null编码null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 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 null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 IN VCC AC VCC D2 OUT R5 10k R2 10k D1 LM393 5 6 7 8 C1 104 OUTB INB INB VCC INA INA GND OUTA R4 10k 1 2 3 4 VCC C2 104 土壤湿度探头 R1 10k 1 2 3 4 R3 10k IN GND OUT AC 图2 土壤湿度传感器电路图 图3 L298N驱动模块电路图 D9 2 1 PA5 L298N 5 7 10 12 5 6 11 IN2 ISENB OUT2 2 1 2 1 2 1 D10 D11D8 8 9 4 2 3 13 14 1 15 OUT3 OUT4 OUT1 IN3 IN4 U7 PA4 PA6 D13 2 1 2 1 2 1 D14 D14 D12 2 1 C20 100uF 12V B1 Motor 5V C18 100uF C19 0 1uF C21 0 1uF ENA VS IN1 ENB VSS GND ISENA 节水灌溉 36 新疆农机化2024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 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null null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 R R 0 2 null cos 2 1 R R 0 2cos 3 2 式中R 实际射程 mm R 0 最大射程 mm 旋 转角度 rad 当边界图形为正方形时 null 0 2 当边 界图形为三角形时 null 0 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 R F 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 A C B P O D B C O P A 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 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 25 36V之间 输入电压可以送入4 38V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 L1 2 1 5 4 D16 C23 105UF 12V 5V C24 105 R14 10K R2 220UF 50V 2 3 VCC FB SW GND 47uH 5A VIN U1 LM2596S R15 3 3K 220UF 50V D15 SS54 C25 105UF 图4 DC DC可调降压模块电路图 O P A PWM v 255 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 255 电压 V 3 1 3 3 3 4 4 2 5 4 5 5 5 8 6 0 6 3 6 6 6 8 7 0 7 1 射程 cm 300 310 320 340 360 370 380 390 400 400 400 400 400 PWM v 255 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 电压 V 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 1 1 2 1 2 2 2 3 2 4 2 6 2 8 射程 cm 10 30 80 90 110 120 130 180 200 210 220 230 280 节水灌溉 37 新疆农机化 2024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 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 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 增加 至120 然后清零重新开始从0 增加 经过三角形边 界函数计算后得出的射程在角度为0 时最大 随着角 度的增加射程在逐渐减小 在角度增加至60 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 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 1 马雪芬 孙敏 基于物联网的智能灌溉系统的设计 J 南方 农机 2019 49 1 9 25 2 顾哲 汤跃 汤玲迪 等 单片机控制的草坪喷头变域喷洒 系统 J 节水灌溉 2015 40 2 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 天津大学 2010 4 陈羽白 张杰 赖荣光 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 2004 35 2 84 88 5 罗江涛 李目 李波 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 2019 3 24 182 185 188 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 Y N N 系统初始化 Y B相 Z相 A相 2 3 实测值 4 3 2 射 程 m 4 0 1 理论值 角度 rad 节水灌溉 38