基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精準(zhǔn)噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計_張秀.pdf

新疆農(nóng)機化2024年第1期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2024 01 009 中圖分類號 S275 5 文獻標(biāo)識碼 A 0 引言 伴隨著我國日益增長的灌溉用水需求 缺水問題 日趨嚴重 2022年我國水資源總量為5 998 2億m 3 其中農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的63 1 傳統(tǒng)灌溉模式缺 乏科學(xué)數(shù)據(jù)支撐 導(dǎo)致水肥不合理使用 出現(xiàn)資源浪費 和土壤結(jié)構(gòu)破壞等問題 同時 隨著土地規(guī)?；?jīng)營 零散土地開始集中連片 單次灌溉成本較高 而我國灌 溉方式落后 存在水資源利用不合理問題 因此對節(jié)水 灌溉的需求非常迫切 精準(zhǔn)噴灌系統(tǒng)是為了適應(yīng)不同的被噴灌區(qū)域形狀 而提出的一種智能噴灌技術(shù) 當(dāng)噴頭旋轉(zhuǎn)時 噴頭的出 水射程依照被噴灌區(qū)域的邊界到噴頭距離的規(guī)律變化 目前國內(nèi)精準(zhǔn)噴灌系統(tǒng)多用變頻器和潛水電泵 由各種 控制主板 檢測及變送裝置等組成 通過步進電機及其 驅(qū)動裝置完成對噴頭噴射角度進行的 噴射角度 2 變 頻器用來調(diào)節(jié)潛水電泵交流電機的轉(zhuǎn)速 通過變頻器 改變潛水電機的轉(zhuǎn)速以及噴射距離 目前只精準(zhǔn)到方 形區(qū)域 本文設(shè)計了一種智能精準(zhǔn)噴灌控制系統(tǒng) 該系統(tǒng) 以STM32系列芯片作為控制器 以普通手機終端作為 上位機 上位機與下位機間進行通信及相關(guān)指令發(fā)送 該控制系統(tǒng)以不規(guī)則草坪或花圃等為對象 基于邊緣進 行逼近式噴灌設(shè)計 通過相關(guān)分析確定是否需要進行噴 灌 設(shè)計出系統(tǒng)的硬件模塊及相應(yīng)的軟件配置部分 1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 文章編號 1007 7782 2024 01 0035 04 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能精準(zhǔn)噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計 張 秀 1 韓大龍 2 呂志強 3 1 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅酒泉735000 2 新疆農(nóng)墾科學(xué)院 新疆石河子832000 3 蘭州理工大學(xué)新能源學(xué)院 甘肅酒泉735000 摘 要 本文研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智null精準(zhǔn)噴灌控制系統(tǒng) null系統(tǒng)以SnullM32微控制null和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ) 對null坪null花圃上 的植被生長環(huán)境進行實時數(shù)據(jù)采集 并且有規(guī)律的 有計劃地對植被進行噴灌 null系統(tǒng)nullnull依據(jù)地null的區(qū)域nullnull進行邊緣 逼近式精準(zhǔn)噴灌 避免對意外區(qū)域和物體進行噴灑 使水資源得到null分利用 關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) SnullM32 精準(zhǔn)噴灌 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 通訊作者 韓大龍 基金項目 2022年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項目 2022B 474 修回日期 2023 12 14 濕度傳感器 OLED顯示 噴灌模塊 旋轉(zhuǎn)編碼器 水泵 WiFi模塊 電源 STM32 單片機 控制器 溫度傳感器 傳感檢測模塊 步進電機 圖 1 系統(tǒng)總體框圖 節(jié)水灌溉 35 新疆農(nóng)機化 2024年第1期 2 2 2 增量式旋null編碼null單元 本設(shè)計采用HS08H38G 100BH N2增量式旋轉(zhuǎn) 編碼器檢測噴嘴的旋轉(zhuǎn)角度并反饋給單片機 由單片 機進一步處理 典型的增量式旋轉(zhuǎn)器由碼盤 檢測網(wǎng)格 光電轉(zhuǎn) 換電路 包括光源 光敏器件 信號轉(zhuǎn)換培養(yǎng) 組成 5 如 果碼盤隨被測旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 檢測裝置不動 光電管可通 過編碼盤和探測器上的間隙以及光電探測器上的輻 本系統(tǒng)以STM32 F103RCT6 芯片作為控制器 主要包括傳感器檢測模塊 顯示模塊 噴灌模塊 WiFi 通信模塊和電源模塊5個部分 系統(tǒng)總體框圖如圖1 2 硬件電路設(shè)計 2 1 傳感器模塊 溫度信號采集應(yīng)用DS18B20溫度傳感器 土壤濕 度測量采用YL 69傳感器 該傳感器有兩種數(shù)據(jù)采集 模式 一種是數(shù)字量采集 這種模式適用于數(shù)字量設(shè)置 閾值時使用 另一種是模擬量采集 這種模式適用于顯 示其值 3 本文采用第二種模擬量采集模式 將A0口 與單片機ADC123 IN1通道PC1口相連 圖2 2 2 噴灌模塊設(shè)計 噴灌模塊由旋轉(zhuǎn)編碼器 微型水泵 步進電機 360 旋轉(zhuǎn)接頭 管道及噴頭等組成 由核心板驅(qū)動步進 電機旋轉(zhuǎn) 步進電機通過齒輪帶動出水管道旋轉(zhuǎn) 因出 水管道鑲嵌在旋轉(zhuǎn)編碼器中 所以步進電機旋轉(zhuǎn)的同 時旋轉(zhuǎn)編碼器也在旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)編碼器將檢測到的角度 值反饋至單片機 單片機在經(jīng)過圖形邊界函數(shù)及離散 處理后將值送入L298N驅(qū)動模塊來調(diào)節(jié)直流電機 水 泵 的轉(zhuǎn)速以改變射程 2 2 1 null流電機驅(qū)動單元 采用微型水泵原動機為直流電機 用L298N模塊 做驅(qū)動 該模塊電路圖如圖3 用PWM對直流電機進 行調(diào)速 設(shè)置輸入端IN1 IN2端的電平狀態(tài)來決定電 機的旋轉(zhuǎn)方向 將PWM信號送入ENA端來調(diào)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 土壤濕度探頭 R1 10k 1 2 3 4 R3 10k IN GND OUT AC 圖2 土壤濕度傳感器電路圖 圖3 L298N驅(qū)動模塊電路圖 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 節(jié)水灌溉 36 新疆農(nóng)機化2024年第1期 3 邊界函數(shù)的設(shè)計 智能精準(zhǔn)噴灌控制系統(tǒng)是為了適應(yīng)不同的噴灌區(qū) 域形狀而研究的一種噴灌技術(shù) 當(dāng)噴頭360 旋轉(zhuǎn)時噴 頭與水落地間的距離隨噴灑區(qū)域形狀的邊界規(guī)律變 化 可將規(guī)則邊界圖形視為正方形區(qū)域與三角形區(qū)域 如圖5 a 正方形區(qū)域邊界示 b 三角形區(qū)域邊界 注 O點為噴頭位null null點為動點 表示水落地點 圖5 噴灑屈邊界擬合形狀示意 當(dāng)噴灑區(qū)域為正方形時 其區(qū)域的邊界方程如式 1 1 當(dāng)噴灑區(qū)域為三角形時 其區(qū)域邊界方程如式 2 R R 0 2 null cos 2 1 R R 0 2cos 3 2 式中R 實際射程 mm R 0 最大射程 mm 旋 轉(zhuǎn)角度 rad 當(dāng)邊界圖形為正方形時 null 0 2 當(dāng)邊 界圖形為三角形時 null 0 3 對于任意形狀的邊界方程 用式 3 表示 區(qū)域示 意圖如圖6 R F 3 圖6 任意圖形的邊界示意圖 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一圈發(fā)出100個脈沖 將 編碼器的A B兩個端子接到單片機定時器4上 由定 時器產(chǎn)生計數(shù) 將處理后的計數(shù)值送入形狀區(qū)域方程 作為PWM占空比的真值控制電機轉(zhuǎn)速 具體控制關(guān) 系如表1 表1 PWM直流電機輸入電壓及射程間的關(guān)系 A C B P O D B C O P A 射感應(yīng)光和陰影的變化 并將光和陰影轉(zhuǎn)換成類似正 弦波的電信號 隨后進行放大處理 改變脈沖信號 增 量式轉(zhuǎn)子通常有三組信號 A相 B相和Z相輸出 在 檢測網(wǎng)格上切下兩組透光間隙 用1 4節(jié)距隔開 使光 電探測器的輸出信號 A相位和B相位 在90 2 3 電源模塊 電源采用DC DC可調(diào)降壓模塊 輸出電壓可以 調(diào)至1 25 36V之間 輸入電壓可以送入4 38V之間 的電源 輸出電壓可通過模塊上的電位器進行調(diào)節(jié) 輸 入輸出電壓差在2V左右 部分電路如圖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 圖4 DC DC可調(diào)降壓模塊電路圖 O P A PWM v 255 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 255 電壓 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 電壓 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 節(jié)水灌溉 37 新疆農(nóng)機化 2024年第1期 PWM調(diào)速部分中PWM周期設(shè)置了一個8bit變 量 總共256個數(shù) V 255 其中V占的比例越大 L298N驅(qū)動板輸出平均電壓越大 電機轉(zhuǎn)速越快 水泵 射程越遠 其中的V由形狀區(qū)域方程的實際射程做相 應(yīng)處理得到 4 軟件部分的設(shè)計 4 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計 系統(tǒng)主程序包括步進電機驅(qū)動程序 直流電機 水泵 驅(qū)動程序 編碼器計數(shù)與中斷程序 YL69濕度 讀取程序 DS18B20溫度讀取程序 OLED顯示程序和 通信程序等 系統(tǒng)主流程如圖7 圖7 系統(tǒng)主流程圖 4 2 旋轉(zhuǎn)編碼器軟件設(shè)計 編碼器軟件設(shè)計是由編碼器A B相差90 編碼 器旋轉(zhuǎn)時通過先后AB相 產(chǎn)生方波 將其接入單片機 TIM4上產(chǎn)生計數(shù)來識別編碼器旋轉(zhuǎn)的角度 Z相轉(zhuǎn)一 圈產(chǎn)生一次高電平 用于零位調(diào)整 Z相在程序中做中 斷處理 A B Z三相對應(yīng)的波形如圖8 圖8 旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)輸出信號波形圖 5 試驗結(jié)果與分析 5 1 溫 濕度檢測與顯示 將 OLED 顯示屏 YL69 土壤濕度傳感器 DS18B20溫度傳感器3部分的程序加載到同一個工 程進行測試 將濕度檢測插片放入濕巾時OLED顯示 屏上對應(yīng)的濕度值會發(fā)生變化 用手捏住DS18B20溫 度計時OLED顯示屏上對應(yīng)溫度也會發(fā)生變化 5 2 三角形區(qū)域的噴灑 將編制完成的程序載入單片機 觀察噴頭旋轉(zhuǎn)情 況 用串口調(diào)試軟件觀察編碼器返回值及做完三角形 邊界方程計算后的射程值 當(dāng)噴頭旋轉(zhuǎn)1 3圈時 串口返回值角度從0 增加 至120 然后清零重新開始從0 增加 經(jīng)過三角形邊 界函數(shù)計算后得出的射程在角度為0 時最大 隨著角 度的增加射程在逐漸減小 在角度增加至60 時射程 降至最低 之后再隨著角度的增加射程也逐漸增加 到 120 時射程增到最大值然后依次循環(huán) 循環(huán)三次時噴 頭剛好轉(zhuǎn)夠一圈 噴灑出來即可構(gòu)成一個正三角形 三 角形理論圖形與實測圖形函數(shù)如圖9 圖9 三角形噴灑邊界理論與實測函數(shù) 理論計算出的波形與實際測得波形基本吻合 個 別角度實際波形與理論波形略有誤差 主要是由于程 序執(zhí)行及機械結(jié)構(gòu)的響應(yīng)存在延遲 總體來說 系統(tǒng)能 夠根據(jù)土壤濕度和溫度的變化及時實施噴灌 并能根 據(jù)給定三角形區(qū)域調(diào)整噴射角度和壓力 實現(xiàn)邊緣逼 近精準(zhǔn)噴灌 參考文獻 1 馬雪芬 孫敏 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計 J 南方 農(nóng)機 2019 49 1 9 25 2 顧哲 湯躍 湯玲迪 等 單片機控制的草坪噴頭變域噴灑 系統(tǒng) J 節(jié)水灌溉 2015 40 2 63 71 3 陳衛(wèi)華 基于 AT89C52單片機的智能微噴灌控制系統(tǒng)設(shè) 計 D 天津 天津大學(xué) 2010 4 陳羽白 張杰 賴榮光 等 噴灌量與噴灌形狀的精確控制 方法及技術(shù) J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2004 35 2 84 88 5 羅江濤 李目 李波 等 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能噴灌控制 系統(tǒng)設(shè)計 J 現(xiàn)代信息科技 2019 3 24 182 185 188 OLED昆示開機界面 開始 設(shè)置中斷優(yōu)先級 掉電檢測 顯示溫濕度值 步進電機正轉(zhuǎn) 讀取編碼器計數(shù)值 確定區(qū)域形狀 濕度是否小于 設(shè)定下限 開啟噴灑 濕度是否大于 設(shè)定上限 停止噴灑 Y N N 系統(tǒng)初始化 Y B相 Z相 A相 2 3 實測值 4 3 2 射 程 m 4 0 1 理論值 角度 rad 節(jié)水灌溉 38