基于STM32 單片機智能灌溉小車設計

賴其英，冼燦嬌，何天浩，羅瀚，李甜甜，許曉云

（廣西民族師范學院，廣西崇左，532200）

0 前言

隨著市政、企業園林綠化面積的不斷擴大，綠化灌溉面積的不斷增加以及對精細灌溉要求的逐步提高，實現灌溉管理的自動化/智能化、可視化已成為園林綠化工作的重點。

國內傳統灌溉方式用水量極大，但對水的利用率卻很低，人工皮管漫灌的這種單一老式的澆灌方式會導致無效蒸發的水高達80%，因而致使水資源的利用率在全國范圍內未達到40%，大量綠化用水被白白浪費掉[1]。減少園林綠地的灌溉用工，降低維護管理成本，提高灌溉精準度、完善灌溉制度，提高水資源利用率以及改變人為操作的隨意性等，是目前綠化灌溉工作中迫切需要解決的問題。設計一款便攜式智能灌溉設備，能夠及時對指定環境的溫濕度進行檢測，并根據設定的參數對目標綠地進行灌溉。

近年以來，日趨成熟和完善的無線網絡通信技術、嵌入式技術和視頻處理技術等核心技術，培育了智能小車的發展，如今智能控制系統小車具備豐富多樣的特征[2]?；谶@些核心技術，設計出一款自由移動循跡式小車，實現遠程查看數據并對小車發出指令，可以在手機app 上查看當前不同位置的環境參數值，從而對小車發出指令前往指定地點工作。

1 設計思路

為了增加園林綠化的層次感與美感，往往采取多種需水特性不同的植物混合種植，同一片綠化中可能出現有草坪，花卉，樹木等，需要采用不同的灌溉方式與灌溉用水量去滿足多元化植物的生長需求。人工澆灑的單一性無法同步配合植物生長，就無法實現原定的園林設計效果。使用自動控制設備后，還可實現夜間無需人工的定時定點自動灌溉，減少蒸發，同時還可避開城市用水高峰期。

根據需求設計這一系統，能夠實時監測指定環境的土壤溫濕度，通過多點測量的方式對環境溫濕度參數進行判斷，并將所獲數據傳送至阿里云平臺，控制系統對該植物的需水量進行分析計算后傳送給小車進行灌溉。設計一款手機App 讀取阿里云平臺的數據，便于用戶足不出戶實現遠程控制灌溉，當小車搭載的儲水水箱中的水位傳感器監測到水箱內水位低于限定值時做報警處理并通知用戶及時補充水量。且小車具有GPS 定位功能，當小車發生意外情況立即終止工作并將定位發送給用戶。

2 硬件設計

該系統的主要模塊包含STM32 單片機主控模塊、圖傳信息模塊、舵機驅動模塊、無線通信模塊、溫濕度檢測模塊、GPS 定位模塊、避障模塊等。

本設計采用STM32F407VET6 作為智能小車的主控模塊。采用LU-ASR01 作為智能語音識別模塊，工業級MP3-BY-F610 作為語音播報模塊，用于播報灌溉小車的工作狀態，當小車發生意外情況時會發出報警信息提醒用戶。無線通信模塊采用的是ESP8266-01S WiFi 作為STM32 單片機與手機APP 通信的無線模塊，ZigBee 3.0 CC2530 作為連接阿里云平臺的模塊。傳感器模塊采用的是XH-M214 土壤溫濕度控制模塊，時刻監測土壤溫濕度變化。避障模塊采用3 個HC-SR04 超聲波模塊，一個HLK-LD2410-24G 人體存在雷達感應模塊，用于小車避障和物體測距，3 個MG996R舵機用來連線超聲波模塊測距離的長度?；贏TGM336H-5N 的高性能BDS/GNSS 定位導航模塊，1 個ESP32-CAM OV7670 攝像頭模塊，2 個紅外發射接收管。

■2.1 硬件框圖設計

主控模塊接收傳感器采集各項的數據，在對數據進行分析與處理之后通過液晶顯示屏顯示給用戶，用戶可以看到各采集點的土壤溫濕度系數。進行處理過的數據使用無線通信模塊上傳到阿里云平臺，而手機APP 可以同步讀取阿里云平臺的數據，保證用戶在任何地點不管采用手機還是電腦都能獲取當前土壤環境的溫濕度系數，從而安排小車進行灌溉工作。系統設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統框架圖

■2.2 硬件模塊介紹

2.2.1 主控模塊

單片機主控模塊選擇的是STM32F407VET6，它的內核采用Cortex-M4 處理器，時鐘頻率高達168MHz，擁有先進的計算性能和中斷嵌套響應系統，加入匯編語言編寫的DSP 庫更是錦上添花，很好地保證了系統的實時性[3]。需要提供的工作電壓范圍在1.8～3.6V 之間，供電常采用的是3.3V。其采用SMT 工藝，具有較小的尺寸和更少的元件，成本較低，擁有高性能、低功耗和豐富的外設資源等優點。STM32F407VET6 最小系統板具有豐富的I/O接口，可以輕松連接傳感器、LED 和其他設備。該芯片負責整個系統的數據收集、信息處理和電機控制等。STM32 主控芯片電路圖如圖2 所示。

圖2 STM32 主控芯片電路圖

2.2.2 圖傳信息模塊

圖傳信息模塊采用的是ESP32-CAM 和OV7670攝 像 頭 模 塊，ESP32 是一款高度集成的低功耗WiFi 和藍牙解決方案，而OV7670 是一款低成本的圖像傳感器。ESP32 與OV7670 可以實現相互配合，提供圖像傳輸和處理的能力。ESP32 可以通過SPI 或I2C 接口與OV7670 進行通信，獲取OV7670 捕獲的圖像數據。ESP32 可以對這些圖像數據進行一系列處理，其中包括壓縮、編碼、濾波等，以提高圖像質量和傳輸效率?？梢允褂肊SP32 連接阿里云服務器，查看當前攝像頭采集的圖像，實現智能識別、監控等功能。搭載的攝像頭可以查看小車所處的環境，以及植物生長情況。ESP32-CAM 最小系統圖如圖3 所示。

孔子天命觀包含兩方面的內容：一是將“天”“帝”作為具有超越性信仰的宗教神學內容，二是將天去殷周時期人格神化上升到人學的內容。簡而言之，孔子本人對前者存有敬畏之心，但更傾向于后者?！墩撜Z·季氏》中說道：“君子有三畏：畏天命，畏大人，畏圣人之言?！笨鬃訉μ烀境煮w認、敬畏、持守的態度。

圖3 ESP32-CAM 最小系統圖

液晶顯示主要采用的是低功耗、響應速度快、擁有較寬視角的OLED，主要功能是給用戶顯示傳感器獲取的當前土壤環境的溫濕度數據或攝像頭采集的圖像，可以讓用戶實時觀察土壤的溫濕度變化和小車的狀態信息，從而對小車下達恰當的指令工作。

2.2.3 語音報警模塊

采用LU-ASR01 作為智能語音識別模塊，可以自定義喚醒詞，最多定義5 個喚醒詞，至少2 個字，具有高識別率，10 米內識別率達到98%。其中DHT 接口接DHT11 模塊，配置對應的識別詞條即可進行溫濕度播報。工業級MP3-BY-F610作為語音播報模塊，用于播報灌溉小車的工作狀態，當水箱中的傳感器檢測到水位低于限定值時觸發報警，提醒用戶及時補充水量。若小車發生意外情況時會發出報警信息提醒用戶。

2.2.4 無線通信模塊

本設計選擇的通信模塊是ESP8266 串口轉WiFi 模塊。ESP8266 模塊采用32 位的Tensilica 處理器構架，它集成了WiFi 功能和TCP/IP 協議棧，具有可靠的數據傳輸能力，并可以通過串口與控制器進行通信。ESP8266 可作為WiFi客戶端或者WiFi 接入運行，作為客戶端，ESP8266 可以連接到現有的WiFi 網絡，實現與互聯網的通信，作為AP 它可以創建自己的WiFi 網絡，允許其他設備連接到它并進行數據交換。ESP8266 通過串口與主控器進行通信，使用AT指令集作為通信協議，主控制器可以通過發送AT 指令給ESP8266 來控制WiFi 連接、數據傳輸和網絡配置，除此之外ESP8266 還可以通過SPI 和I2C 等接口與其他外部設備進行通信。WiFi 與其他通信模塊相比，不僅具有更寬的帶寬、更高的射頻信號，而且功耗低和成本都較低。在本設計中ESP8266 是通過MQTT 協議實現與平臺連接。

2.2.5 舵機模塊

SG90 舵機通過PWM 信號的占空比轉動角度，本設計舵機1通過左轉90°、右轉90°來輔助用戶轉動攝像頭查看小車周圍環境；舵機2 通過左轉90°、右轉90°，探測小車周圍是否存在障礙物，以便小車選擇行進方向；舵機3為360°旋轉，保證噴灑角度的全面性。本設計舵機的控制方式為閉環控制，閉環控制在開環控制的基礎上增加了位置反饋裝置，這種控制方式精度高、穩定性好。此外，三個舵機分別接在單片機自帶的PWM 接口：PA1、PA2 和PA3 中，由單片機的定時器自帶的PWM 驅動。

2.2.6 溫濕度檢測模塊

2.2.7 噴灑模塊與水位檢測

本設計的噴灑裝置采用了噴灑噴頭、電機與繼電器的組合，單片機通過輸出高低電平來控制噴頭的噴灑，該噴灑裝置靜音無噪聲、水霧均勻細膩且水量較大，對待植物更為友好。通過噴灑裝置與水位傳感器DAC、蜂鳴器結合，實現小車的灌溉工作。容器內的水位傳感器，將感受到的水位信號傳送到STM32，控制器內的計算機將實測的水位信號與設定信號進行比較，若出現偏差，則說明水箱水位不足，單片機將做出反應，引發蜂鳴器發出警報，并關閉噴灑裝置，隨小車返回。

2.2.8 GPS 定位模塊

GPS 模塊是集成了RF 射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。模塊支持多種衛星導航系統，包括中國的北斗二號和北斗三號全部衛星、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、日本的QZSS，可以同時接收以上衛星導航系統的衛星信號，并且實現聯合定位、導航與授時，模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優勢是目前最常用的室外導航系統?？梢詫崟r傳送小車位置信息，避免小車丟失，保證小車安全。

2.2.9 循跡、避障模塊

本設計通過搭載HC-SR505 人體感應模塊、超聲波和TCR5000 紅外傳感器模塊保證小車能避開障礙物順利行進。HC-SR505 能夠探測人體的紅外輻射，并將這些信號轉化為電信號，從而實現對人體活動的監測。本設計的HCSR505 模塊為全自動感應，當檢測到有人進入感應范圍，則輸出高電平，人離開后感應范圍自動延時，輸出低電平。TCRT5000 具有測距和感知物體存在的功能，紅外傳感器連續產生紅外信號，通過障礙物反射，紅外接收器檢測，以此判斷障礙物的位置距離。HC-SR505、超聲波和 TCR5000將識別到障礙物的信號傳送至STM32 單片機，經控制系統分析判斷后控制驅動電機實現小車繞開障礙物，保證小車的順利行進。除此之外，小車在行駛過程中，還會利用自動導航技術進行路徑規劃，并通過視覺傳感器等感知周圍環境，確保安全行駛。

3 軟件設計

■3.1 系統軟件的總體設計

本設計使用Keil 進行軟件編程、Proteus 進行仿真。美國Keil Software 公司出品的兼容單片機C 語言軟件的開發系統Keil，為單片機軟件設計提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具；而Proteus 嵌入式系統仿真與開發平臺是可將PCB 設計軟件、虛擬模型仿真和電路仿真軟件相結合的設計平臺，能夠實現代碼調試、原理圖設計以及單片機與外圍電路協同仿真，并能輕松切換到PCB 圖版設計，實現了從理論到產品的完整設計，便于上手[5]。且虛擬仿真技術弱化了系統對于硬件的依賴，降低實驗成本[6]。在系統進行初始化后，等待上機指令，啟動小車的控制程序，在連接成功后小車執行其所對應的控制子程序，單片機讀取ESP8266 模塊的數據信息并將信息通過OneNet 平臺發送至手機端，經過系統分析是否需要灌溉、灌溉水量， 而后制定灌溉方案，小車在接收到灌溉信號后啟動前往指定地點進行灌溉工作。若遇到障礙物，噴灑裝置立即停止工作，小車自動選擇行進路徑，路徑選擇完畢繼續噴灑若水位低于預設水位，報警裝置發出警報，小車停止噴灑，小車返回。

系統軟件總體設計流程圖如圖4 所示。

圖4 系統軟件總體設計流程圖

■3.2 手機APP 的軟件設計

系統會不斷地收集數據，并通過云端服務器進行分析和處理。通過數據分析，系統可以自動調整灌溉策略，如根據植物的生長情況調整灌溉量、灌溉時間等，從而實現更高效的灌溉效果，這款APP 由 MIT App Inventor 網頁版設計。

基于STM32 的智能灌溉小車軟件主要圍繞幾大功能：

（1）小車位置信息的實時監控；

（2）規劃小車的運行路徑控制小車工作；

（3）記錄土壤溫濕度數據信息；

（4）工作人員可以通過搭載的攝像頭查看小車所處的環境，以及植物生長情況；

（5）監控水箱的水位狀態和電池的電量。水位和電量不足時，手機將彈出警告信息，提醒工作人員及時添加水箱或更換電池；

（6）切換小車工作模式。通過APP 可以改變小車的控制方式，工作人員可選擇自動控制模式或手動控制模式。

4 系統實物及測試結果

■4.1 實物

灌溉小車實物如圖5 所示，智能灌溉小車外殼由金屬框架、亞克力板組成，底盤為鋁合金履帶式底盤搭配四個CGM-25-370 電機，可載重15kg，全車長約545mm，寬355mm，裝載12V，8Ah 的直流鋰電瓶，通過控制一枚12V 直流電壓的水泵和噴頭來實現澆灌功能。

圖5 灌溉小車

■4.2 測試結果

通過Arduino IDE 開發環境編寫程序代碼，上傳至ESP32 CAM 模塊并將ESP32 CAM 模與HW-95 L298N 電機驅動板模塊連接，使用時需用手機連接ESP32 CAM 設置好的WiFi，輸入IP 地址即可打開操作界面，通過手機來控制小車的前進、后退和左右轉彎。

小車水箱容量為5.5L，噴桶可以進行360°轉動，噴頭可以實現條狀灌溉和霧狀灌溉，條狀灌溉的半徑為4.2m，霧狀灌溉的半徑為2.8m。

5 結語

本設計完成了一個智能灌溉小車，這款灌溉小車可以通過土壤的溫濕度信息，輔助工作人員制定灌溉方案，并下達命令使小車前往灌溉。相比于市面上的一些智能灌溉設備，本設計小巧輕便，有多種控制方式用戶可根據需求靈活切換選擇其一。還可實現遠程控制，不管用戶是想要足不出戶就可對戶外植物進行灌溉還是出差在外也依然可以對家中植物進行灌溉，時刻保證植物的正常生長。系統對土壤濕度、作物需水量等數據進行實時監測、數據采集和處理，而后根據各作物的不同需水要求來科學有效地控制灌溉。除此之外，智能灌溉小車具備靈敏的避障功能，有較強的穩定性、實用性、高效性且有利于節省水資源、緩解水資源的日益緊張等優點。本設計主要面向家庭院落、社區等小型綠化，灌溉工作更為精細，采用全自動化的操作模式，徹底解放種植管理人員的雙手，節省了大量人力物力，可實時工作確保土壤濕度。APP 操作簡單容易上手，適用于大部分人群，具備圖傳功能，且APP 頁面會實時顯示土壤及小車信息，方便用戶隨時隨地實時監控植物的生長發育狀態以及查看小車的工作狀態。