基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園綠植灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)也越來(lái)越多，更多智能系統(tǒng)應(yīng)用到了生活、學(xué)習(xí)中。本設(shè)計(jì)是以校園綠化建設(shè)中的綠植灌溉為基本所提出的，其最大的特點(diǎn)就是使水資源、人力資源利用率最大化。本設(shè)計(jì)以STM32F407單片機(jī)為主控，選取YL-69土壤濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、ESP8266物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊、水泵、電磁閥等器件基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中感知層的土壤濕度傳感器與溫度傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)中進(jìn)行處理計(jì)算，并經(jīng)過(guò)傳輸層的物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)端手機(jī)APP，同時(shí)STM32單片機(jī)同步控制應(yīng)用層的水泵及需水區(qū)域電磁閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一區(qū)域綠植的精確灌溉。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常，可以完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，并且運(yùn)行穩(wěn)定。

　　關(guān)鍵詞：STM32;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);綠植灌溉;傳感器

　　0引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)、生活水平的提高，校園環(huán)境的建設(shè)也成為各個(gè)學(xué)校的校園建設(shè)重點(diǎn)。而各個(gè)學(xué)校的綠植覆蓋率也在逐漸增加，所以綠植的灌溉問(wèn)題也日益凸顯[1-3]。傳統(tǒng)的綠植灌溉方式為人工灌溉或者以半自動(dòng)的灌溉方式為主，而這樣的灌溉方式極大的浪費(fèi)了水資源及人力資源。對(duì)于現(xiàn)階段對(duì)水資源的利用率，還有比較高的進(jìn)步空間，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合綠植灌溉的實(shí)際情況可非常好的解決傳統(tǒng)灌溉所遇到的問(wèn)題[4-8]。本論文的綠植灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)WIFI技術(shù)以及其他技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能綠植灌溉，同時(shí)也可以通過(guò)移動(dòng)端手機(jī)APP來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制綠植灌溉系統(tǒng)[9-11]。

　　物聯(lián)網(wǎng)論文范例：智能物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)論文投稿期刊

　　1校園綠植灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

　　各區(qū)域DS18B20溫度傳感器與各區(qū)域YL-69土壤濕度傳感器采集相應(yīng)區(qū)域的溫、濕度數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到STM32F407單片機(jī)中，單片機(jī)通過(guò)該區(qū)域植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)PID算法計(jì)算出該區(qū)域當(dāng)前所需灌溉的水量及適宜的灌溉速度，并通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)器控制水泵的抽取水量及抽水速度，同時(shí)控制電磁閥驅(qū)動(dòng)器打開需灌溉區(qū)域的電磁閥。之后將當(dāng)前的傳感器數(shù)據(jù)、水泵及電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)ESP8266物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊發(fā)送到移動(dòng)端手機(jī)APP。該設(shè)計(jì)作品可通過(guò)手機(jī)APP發(fā)出灌溉指令，也可依托互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)指令。

　　2校園綠植灌溉系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1感知層傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　2.1.1YL-69土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)

　　YL-69土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可以長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤或堤壩內(nèi)使用，對(duì)表層和深層土壤水分進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量，與數(shù)據(jù)采集器配合使用。

　　2.1.2DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)

　　DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等其他測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求編程讀取溫度數(shù)據(jù)，可編程的分辨率為9~12位。數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度;如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。

　　例如：DS18B20溫度傳感器數(shù)字輸出為1B8H，即：實(shí)際溫度=1B8H*0.0625=440*0.0625=27.5℃2.2傳輸層ESP8266物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊設(shè)計(jì)ESP8266不僅可以發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，還可以接受服務(wù)器發(fā)過(guò)來(lái)的信息。同時(shí)，ESP8266還有三種工作方式以配合不同的應(yīng)用環(huán)境。

　　STA模式：ESP8266WiFi模塊通過(guò)路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)或電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。AP模式：ESP8266WiFi模塊模塊作為熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)無(wú)線控制。STA+AP模式：兩種模式的共存模式，即可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，方便操作。本設(shè)計(jì)選用STA模式，并應(yīng)用模塊的UART串口功能以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端與應(yīng)用端的數(shù)據(jù)透?jìng)�、遠(yuǎn)程控制。

　　■2.3STM32主控模塊設(shè)計(jì)STM32F407是由ST(意法半導(dǎo)體)開發(fā)的一種高性能微控制器。其采用了90納米的NVM工藝和ART(自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，AdaptiveReal-TimeMemoryAccelerator)。并且集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得數(shù)字信號(hào)控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達(dá)到了新的水平，提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。本設(shè)計(jì)根據(jù)STM32F407的開發(fā)手冊(cè)繪制主控原理圖，選用25MHz晶振，增加復(fù)位、啟動(dòng)電路，使實(shí)際應(yīng)用更加靈活。

　　■2.4應(yīng)用層水泵、電磁閥設(shè)計(jì)水泵驅(qū)動(dòng)器控制水泵從水源地取水，將水通過(guò)運(yùn)輸管道運(yùn)至各灌溉區(qū)域，電磁閥驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)控制當(dāng)前區(qū)域電磁閥是否開啟對(duì)該區(qū)域綠植進(jìn)行灌溉。這樣設(shè)計(jì)可對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行同時(shí)灌溉控制。

　　3校園綠植灌溉系統(tǒng)測(cè)試

　　3.1傳感器實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

　　3.1.1YL-69土壤濕度傳感器測(cè)試對(duì)土壤濕度傳感器特性進(jìn)行測(cè)試時(shí)通過(guò)ADC輸出電壓值，根據(jù)電壓值輸出情況對(duì)傳感器的特性進(jìn)行分析。將土壤濕度傳感器傳回的數(shù)據(jù)通過(guò)串口中斷服務(wù)程序?qū)⑵錅y(cè)試結(jié)果傳送在上位機(jī)上，經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為濕度數(shù)據(jù)會(huì)隨著電壓值的增大而減小，在實(shí)際環(huán)境中傳感器傳回的濕度值總體變化波動(dòng)不大，電壓值、濕度數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。并且5V時(shí)在極限環(huán)境中，傳感器在空氣中AO讀取的值最大為1022，浸泡在水里的最小值245。傳感器返回值都正常，也說(shuō)明土壤濕度傳感器通過(guò)測(cè)試。

　　4總結(jié)

　　本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)，以STM32F407芯片為核心設(shè)計(jì)校園綠植智能灌溉系統(tǒng)，通過(guò)在系統(tǒng)中應(yīng)用土壤溫濕度傳感器、溫濕度傳感器、水泵驅(qū)動(dòng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)及WIFI模塊等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件功能;在Keil環(huán)境下開發(fā)完成各軟件功能模塊的設(shè)計(jì)以及配置。并通過(guò)串口上位機(jī)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可根據(jù)不同區(qū)域、不同綠植設(shè)置不同的閾值自動(dòng)啟動(dòng)綠植灌溉功能，同時(shí)還可以用移動(dòng)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況及綠植生長(zhǎng)環(huán)境情況。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)各部分運(yùn)行正常，可以完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，并且運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了對(duì)水資源及人力資源的利用率。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：劉瑞楠，鄭來(lái)芳，郝鵬翔

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