智能节水灌溉系统设计

智能节水灌溉系统设计摘要随着科技的进步，智能化设备取代人工作业，节省了大量人力物力，但是农作物灌溉依然采用人工，没有根据植物土壤湿度进行科学的灌溉，造成水资源浪费以及农作物水份过多从而导致根系损坏和病虫害的发生，影响农作物产量，为了合理灌溉和防止水资源浪费，本设计研究一款智能节水灌溉系统来满足市场需求。本设计主要以单片机为核心控制器，通过模数转换器对土壤湿度传感器、光照传感器输出模拟量信号进行采集，计算土壤湿度和光照强度值，读取DS18B20温度传感器数据，将测量的环境参数送入OLED液晶屏显示，测量数据通过WIFI模块上传到手机APP进行远程监控，利用手机APP实现自动和远程模式切换，当测量土壤数据低于阈值时，自动开启水泵进行灌溉，光照强度过低自动补光，利用手机APP上的调节按钮，远程控制安全阈值，这样设计使得灌溉更加智能化、自动化，方便园区管理人员管控，节省水资源浪费。关键词：STM32单片机；土壤湿度；光照强度；WIFI模块；手机APP目录第1章绪论 第1章绪论1.1研究背景及意义我国是占有土地面积较大的国家，种植农作物较多，每年因农作物灌溉浪费水资源比例较大，所以智能节水灌溉是我国比较关注的问题，当前我国水资源日趋紧张，节水灌溉成了国家关注的主要项目之一[1]。在国外很多发达国家采用喷灌、微灌以及点灌方式进行节水，采用先进的智能灌溉技术做到精准灌溉[2]，根据农作物所需水份进行灌溉不仅可以节约水资源，可以提高农作物产量，通过智能化灌溉可以解决人工浇灌的随意性[3]，也是防止水资源浪费的有效途径，同时还能够减少人工投入，节约用水成本，提高农作物产能，增加农民收入[4]。因此，我国推广智能节水灌溉项目时非常必要的，也是当代节约水资源所需，提高水资源利用率的关键，所以本设计研究一款智能化节水灌溉系统来满足用户需求。我国开始实时三农建设以来，国家对农产品种植非常重视，通过自动化管理和自动化浇灌来保证三农建设的可持续发展。但是农作物生长对水资源需求非常高，国内多地仍然采用人工灌溉方式，导致水资源严重浪费和不合理对农作物灌溉导致病虫害发生，导致农作物产量降低[5]。本设计主要检测农作物土壤湿度和光照强度数据，根据不同时期对农作物所需光照和土壤湿度阈值进行控制，当检测到低于阈值时，自动开启水泵灌溉和补光，提高农作物用水和光合作用合成，同时具有手机APP远程监控农作物生长环境，远程控制灌溉设备工作，实现了灌溉的自动化和智能化控制，通过土壤湿度阈值控制水泵灌溉是实现节约水资源的主要途径，对农作物生长具有重要意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外的发展现状国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌溉系统[5]。2021年HYPERLINK\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"GrémontMarine等人在《Theroleofperceptions,goalsandcharacteristicsofwinegrowersonirrigationadoptioninthecontextofclimatechange》[7]中提出了一种在农场层面理解驱动当前灌溉和预期灌溉的经验方法，这些结果对需水预测和供水规划具有重要的政策含义。2021年HYPERLINK\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"RebouhSamia等人在《ZoningirrigationsmartsystembasedonfuzzycontroltechnologyandIoTforwaterandenergysaving》[8]中也指出了信息和通信技术在改革传统农业和农业发展中发挥着重要作用2022年IrfanArdiansah等人在《ANOVERVIEWOFIOTBASEDINTELLIGENTIRRIGATIONSYSTEMSFORGREENHOUSE:RECENTTRENDSANDCHALLENGES》[9]中从物联网的角度出发，概述了温室智能灌溉系统最新趋势和挑战。2022年ObaideenKhaled等人在《AnoverviewofsmartirrigationsystemsusingIoT》[10]讨论了智能灌溉技术，介绍了有效的水资源管理是可持续经济的关键因素，并强调要在灌溉中应用物联网。2022年TaceYouness等人在《SmartirrigationsystembasedonIoTandmachinelearning》[11]提到几个世纪以来，传统农业一直是地球上发展的支柱。但随着人口指数增长和需求的增加，农民需要水来灌溉土地的需求越来越难得到满足[12]。农民需要一个改变他们运营方式的解决方案。随着新技术的出现，农业4.0的概念已成为现实[13]。1.2.2国内的发展现状在国内，20世纪初期开始对农作灌溉开始进行研究，国内大型农作物生产基地基本采用国外进口的喷灌式设备进行农作物灌溉，小型农作物生产基地依然采用人工进行灌溉[13]，由于我国地理气候与国外不同，国外进口设备在我国使用也会导致水资源浪费，人工浇灌随意性对水资源浪费更加严重，我国开始针对土壤湿度特性展开研究[15]，将土壤湿度和国外喷灌式设备相结合实现自动控制水泵浇灌农作物，但是喷灌仅仅可以对大面积植物灌溉比较有效，对于小区域生长的农作物喷灌会造成水资源浪费[16]，由于国外进口产品价格较高，很多人接受不了，国家研究学者开始针对国外设备展开技术攻关，在20世纪末期，研发出基于PLC控制的智能浇灌系统，根据土壤湿度阈值设定自动控制水泵开启[17]，在很多大型种植基地和草坪灌溉上使用，由于PLC设备安装不方便、体积较大，使用率偏低，随着国内浇灌设备厂家对国外微灌技术引进，在21世纪初期，开展基于单片机为核心的微灌控制设备，主要是利用水流通过管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水滴着落在花草植物[18]。作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的[19]。随着物联网行业不断发展，单片机控制领域提高，国内开始研究基于物联网远程控制节水灌溉系统，提高水资源利用率，节约人工成本，提高农作物产能[20]。通过国内外现状分析，开发节约水资源的智能节水灌溉系统具有很大的现实意义，本课题设计的智能节水灌溉系统具有很大的市场前景。第2章总体方案设计2.1整体方案设计智能节水灌溉系统主要通过采集土壤湿度、光照强度以及环境温度参数实现自动控制水泵、补光灯等设备工作，将测量的环境参数显示在液晶屏上，同时通过无线模块上传数据到手机APP实现远程监控，手机APP实现远程控制补光灯和水泵设备开关操作，整个框图如图2.1所示。图2.1系统框图2.2主要元器件选择及论证2.2.1单片机控制模块的选择设计需要单片机作为核心控制器件，常用的单片机为C51单片机、AVR单片机以及STM32单片机，主要针对三个型号进行对比分析。方案1：使用AT89C51单片机设计，该单片机属于DIP直插封装设计且操作端口简单，外设I/O口较多，价格低，供电电压范围宽，工作电流低，是上学课本所学，上手容易，片内有4K程序存储空间和1K数据存储空间，优点为抗干扰能力强，可以在低温和高温环境下稳定工作，被应用在工业和医疗行业中使用，缺点为数据存储空间小，运行速度慢，实物如图2.2所示。图2.251单片机实物图方案2：使用ATMEG16单片机设计，外部预留23个普通I/O功能设计，内部也具有第二功能串口、IIC通讯以及ADC采集端口设计，优点为片内程序和数据存储空间充足，缺点价格高，工作环境范围窄，常被用于普通电子产品中使用，ATmega16实物如图2.3所示。图2.3ATmega16

单片机实物图方案3：选择STM32系列的F103C8T6单片机进行设计，该单片机普通I/O口多达40个，端口具有输入和输出功能设计，并且复用了4路串口、2路独立ADC、多个定时器等功能，单片机外部通用晶振为8MHZ或16MHZ，内部具有时钟倍频器，可以实现最大72MHZ主频工作[]，单片机工作电压为1.8V-3.6V设计，典型供电电压为3.3V，低功耗电流为5uA，可以在-20℃-55℃环境下工作，内部可编程空间为64KB，可存储数据空间为16KB，优点单片机价格低，抗干扰能力强，存储空间充足，执行速度快，STM32实物如图2-4所示。图2.4STM32单片机实物图总结：C51和AVR单片机工作主频低，STM32工作主频高，内存空间大，符合设计要求，故选方案3进行设计。2.2.2土壤湿度传感器模块的选择设计需要选择土壤湿度传感器作为智能浇灌控制器件，常见的土壤湿度传感器种类为电容式和压电式两种型号，通过方案分析从中选择合适的土壤湿度传感器进行设计。方案1：采用压电方法测量土壤水份含量，压电传感器内部具有振子装置，当有水落到传感器上时，振子产生震动来产生压电效应，将振子震动的距离转换成电压信号，水份含量越高时，振子产生的位移越高，输出的电压信号越大，单片机通过控制模数转换采集压电传感器输出的电压值，计算得到土壤水份数据，缺点为压电式传感器市面上较少，并且制作工艺复杂，成本较高，其内部结构如图2-5所示。图2.5压电式土壤湿度传感器实物图方案2：采用电容传感器进行土壤湿度测量，根据水份含量越大电容越大，输出电压越高的原理进行设计土壤湿度传感器，该传感器表面镀有抗氧化的镍材料进行设计，当有水落到传感器上时，因为水是导体，使得传感器上的导线连通，容抗变大，经过内部放大器输出电压信号，通过模数转换器采集输出的电压信号得到土壤湿度含量，土壤湿度传感器通过运放控制后可以输出数字信号和模拟信号，优点为电容式土壤湿度传感器价格低，工作电流小，耐腐蚀，电流设计简单，其实物如图2.6所示图2.6土壤湿度传感器实物图通过方案对比分析，方案1中压电式土壤湿度传感器工艺复杂，价格较高，故选方案2进行设计。2.2.3显示模块的选择设计需要一款显示设备显示节水灌溉参数测量信息，当前使用比较广泛的为LCD12864液晶屏和OLED液晶屏，通过方案对比从中选择合适的液晶屏作为节水灌溉系统显示器件。方案1：使用LCD12864可汉字、字符以及数字显示屏幕，工作电压范围4.5V-5.5V，液晶屏尺寸大，工作电流高，工作环境温度-20℃-60℃，数据控制线为RW/E/RS/PSB，双向控制接口DB0-DB7，占用单片机资源较多，ESD防护较低，LCD12864实物如图2.7所示。图2.7LCD12864液晶屏方案2：采用尺寸为OLED液晶屏作为显示器件，工作电压范围3.3V-5V之间，工作电流小，液晶屏字体颜色可选，工作环境温度-20-60摄氏度，液晶屏采用IIC总线控制，实现液晶屏命令和数据操作，液晶屏电源接口增加了电容和压敏电阻具有ESD防护设计，优点抗干扰性能强，占用端口资源少，OLED液晶屏实物如图2.8所示。图2.8OLED液晶屏通过方案对比采用LCD12864液晶屏设计，尺寸大，占用单片机I/O口资源较多，故采用方案2进行设计。2.2.4无线模块的选择节水灌溉设计需要实现远程控制水泵工作，现在常用的与手机APP无线连接的模块为蓝牙和WIFI模块，根据这两个模块优缺点进行选型。方案1：采用HC-05蓝牙模块实现数据传输，蓝牙模块采用标准4.0协议开发，通过监听和广播两种模式传输数据，工作主频为2.38GHZ-2.45GHZ,传输过程中的峰值电流小于10mA，工作电压兼容5V和3.3V设计，传输距离在无障碍下小于15米，HC-05蓝牙模块可以实现主从模式设计，采用串口通讯方式，常被用在可穿戴产品上，HC-05蓝牙模块实物如图2.9所示。图2.9蓝牙模块实物图方案2：采用ESP8266-01SWIFI模块实现数据传输，该模块需要借助网络将数据传输到手机APP或云服务端，通讯控制指令为AT指令，工作主频在800-900MHZ，传输速率快，工作电压典型值为3.3V，工作电流低，单片机通过AT指令控制模块与服务器连接，通过TCP或HTTP协议将测量数据上传到服务端实现远程监控，连接网络后，监控距离不受限制，该模块实物如图2.10所示。图2.10WIFI模块实物图总结：蓝牙模块受外界障碍物影响传输距离受限，所以采用ESP8266WIFI模块实现数据传输设计。2.2.5光照传感器的选择以及验证方案1：采用光敏电阻进行设计，该传感器根据光照强度增加内部增大的原理进行设计，外部采用电阻分压，将输出的电压值通过单片机内部A/D采集，分析计算得到光照强度数据，实物如图2.11所示。图2.11光敏电阻实物图方案2：采用纯数字输出的BH1750F进行光照检测，该传感器内部通多个二极管等芯片实现电平转换，该芯片通过IIC通讯设计，工作电压范围宽，尺寸大，数字输出传感器如图2.12所示。图2.12数字光照传感器实物图总结：数字量输出的光照传感器体积大，所以采用光敏电阻作为节水灌溉系统光照强度采集设计。2.2.6直流电机驱动模块选型方案1：采用MX1508双H桥驱动芯片实现水泵驱动工作，MX1508驱动模块没有刹车和转向控制管脚，只能进行直流电机正反转操作，单片机通过控制模块上的INX管脚实现水泵工作，该模块工作电压为5V，工作电流小。方案2：带有采用双H桥驱动的L298N驱动直流电机带动水泵工作，L298N驱动芯片自带转向控制管脚，单片机通过控制L298N芯片上的输入管脚实现直流电机正反转操作，实现抽水和放水操作，L298N驱动模块上自带LM7805降压芯片可以为单片机系统供电，工作性能稳定，常被用于2A以内的直流电机驱动使用。图2.13L298N直流电机驱动实物图总结：由于水泵属于大电流器件，采用MX1508模块带动水泵不合适，所以采用L298N驱动模块进行设计。2.3本章小结本章主要按照节水灌溉系统框图展开关键器件选型分析，通过方案对比论证，选择性价比更高的STM32F103C8T6单片机、OLED液晶屏显示、电容式土壤湿度传感器、光敏电阻以及ESP8266WIFI模块等器件，为第三章硬件电路设计打下基础。

第3章硬件电路设计3.1单片机最小系统电路设计3.1.1单片机功能介绍采用STM32F103C8T6单片机开发节水灌溉系统，内部处理器采用32位控制器设计，运行速度比C51/AVR/MSP430快很多，工作主频最大可配置为72MHZ，内部自带了多个通道的12位模数转换器、5个UART串口通讯、硬件SPI和IIC总线接口设计，STM32F103C8T6单片机预留出多达40个输入输出接口，并且STM32外部接口都具有中断功能设计，可以配置内部上拉、下拉以及推完输出功能设计，其STM32F103C8T6特点如下所示：1）STM32FC8T6单片机超低功耗设计，在待机模式下功耗小于10μA。2）单片机采用小封装设计，引脚数为48引脚，节省空间。3）单片机最大工作配置主频为72MHZ［7］。5）单片机内部ADC通道数多达32个，并且寄存器分为ADC1和ADC2两个独立采集寄存器设计，采样精度为12位。6）单片机采用低电压供电设计，供电电压范围2.0-3.6V，通常采用典型3.3V稳压芯片供电。7）单片机Flash为64，可以满足较大程序或WIFI模块程序开发设计。8）单片机编程方式支持ST-LINK和JTAG在线编程。本设计采用的STM32最小系统板实物图如图3.1所示：图3.1STM32F103C8T6引脚图STM32F103C8T6单片机通过外部3.3V供电，将石英晶体以及电阻电容复位部件连接到单片机对应管脚，如图3.2所示。图3.2最小系统图3.1.2复位电路设计由于复位芯片价格贵，所以根据STM32单片机复位时间10us以内进行匹配RC充电电路，STM32单片机复位时间为t=(10K*1uF)*ln(3.3/(3.3-2.0))=931us，大于复位时间，符合设计要求，为了防止单片机执行过程中出现死机现象，复位电路增加机械按键实现手动重启功能，省去了插拔电源的麻烦，复位电路设计如图3.3所示。图3.3复位电路3.1.3时钟电路设计单片机系统精准运行需要外部提供稳定的时钟源，经过单片机内部倍频器或分频器，将工作主频增加到所需频率，STM32通过倍频后最大工作主频为72MHZ，单片机内部定时器和ADC经过分频后将主频降低，所以外部稳定的时钟起振电路是非常必要的，时钟电路采用8Mhz石英晶体设计，并外接匹配电容，将晶振两个管脚接单片机的OSCIN和OSCOUT上，根据晶振负载电容CPL=20pF计算C13和C14容值，CPL=(C13*C14)/(C13+C14)，根据公式计算C13和C14取20pF符合设计要求，时钟电路设计如图3.4所示。图3.4时钟电路3.2土壤湿度传感器模块电路设计节水灌溉系统设计采用土壤湿度传感器检测植物土壤湿度情况自动化控制水泵灌溉；土壤湿度传感器模块经过分压后输出模拟量电压，设计采用检测AOUT管脚输出电压计算土壤水份含量实现自动化控制水泵自动工作，由于STM32单片机内部具有多通道12位模数转换器，采样精度高，单片机内部A/D基准源为3.3V，所以最大采样电压为3.3V，土壤湿度传感器供电电压设计为3.3V，将AOUT管脚接单片机的内部ADC通道的PA4管脚，土壤湿度传感器电路设计如图3.5所示。图3.5土壤湿度传感器电路设计图3.3OLED显示屏模块电路设计液晶屏显示技术诞生于1890年，美国一位科学家研制，属于黑白屏技术，随着液晶屏在家电、医疗以及工业控制行业使用越来越广泛，到了2000年初期，国内出现了彩色液晶屏基础，像素点还不是真彩色，仅仅可以显示两种色调，到了2010年，RGB真彩色液晶屏走进人们的视野，出现了多种尺寸液晶屏，成本较高，液晶屏使用的玻璃为进口产品，使得液晶屏价格昂贵，随着液晶屏控制领域以及制造领域越来越成熟，国内出现了段码液晶屏、OLED液晶屏、TFT液晶屏以及工业控制屏，多数都为彩色液晶屏，多种颜色通过代码可调，在2015年前，液晶屏控制都采用并口方式控制，后期由于端口占用率太高浪费资源，液晶屏厂家研发出IIC/SPI通讯接口设计的液晶屏供各个行业使用，当前液晶屏控制和显示领域都非常成熟。节水灌溉系统设计采用小尺寸、低成本、字体颜色可选的OLED液晶屏作为显示装置，该液晶屏全视角显示，查看数据方便，液晶屏内部驱动器采用SSD1306芯片控制，工作电流小、响应速度快，工作电压兼容3.3V和5V设计，通讯接口采用IIC总线设计［10］，节省单片机I/O资源，尺寸采用0.96英寸，占用空间小。单片机通过控制OLED液晶屏的SDA数据线和SCL时钟线可以实现OLED液晶屏的命令、数据写入和读取操作，IIC总线传输速度快，不占用单片机运行资源，电路设计时，将供电电源连接5V，SDA接口连接PA5，SCL接口连接PA4，OLED液晶屏电路设计如图3.6所示。图3.6液晶屏电路设计图3.4光照强度采集电路设计节水灌溉系统采用光敏电阻检测植物生长环境光照强度数据，根据光照强度强弱实现照控制补光设备自动工作，光敏电阻采用光照强度越高，输出内阻越小的原理，电路设计采用10K电阻分压设计，光照强度增高，输出电压增加，单片机内部A/D采集输出的电压信号，分析计算得到光照强度数据，光照强度电路设计如图3.7所示。图3.7光敏电阻电路图3.5温度检测电路设计设计采用DS18B2O温度传感器采集植物生长温度情况，因为DS18B20传感器封装方式多种多样，采用塑料外壳、金属外壳、螺纹安装外壳等样式封装，可以用于室内外环境温度检测，也可以用于工业环境内温度检测，具有防腐蚀性。该传感器属于纯数字型温度传感器，工作电压兼容3.3V和5V设计，工作温度范围为0-85摄氏度，工作电流低。由于该传感器数据数字温度传感器，预留接线为GND管脚、电源VCC管脚以及DO管脚，单片机通过单总线DO控制实现传感器命令写入和数据读取工作。编写程序时，首先发送匹配DS18B20内部ROM命令后再发起启动温度转换命令，开始读取两个字节温度数据，单片机分析处理得到准确温度值，该传感器测量精度为正负0.3摄氏度，温度传感器电路如图3.8所示。图3.8温度测量电路设计3.6WIFI传输电路设计设计采用ESP8266WIFI模块通过网络连接上传数据到手机APP实现节水灌溉系统远程监控，ESP8266WIFI模块具有成本较低、实用性高、传输功耗低等优势，被中国移动物联网平台合作开发使用，该模块内部集成了TCP/HTTP等协议栈，内部集成了天线巴伦、功率放大器件以及外部板载天线设计，传输距离远。该模块与单片机通讯采用AT指令控制，通过AT指令实现模块初始化、连接手机热点以及查询IC等功能使用。ESP8266WIFI模块与手机APP连接采用TCP/HTTP/EDP/MQTT等协议通讯连接，手机APP按照通讯协议创建产品端口号和服务器号，单片机通过识别设备号建立设备连接，连接成功后发送数据按照ASCII码格式传输，并且手机APP的数据流与单片机发送的数据流名称需一致，并且发送数据长度固定，手机APP接收到WIFI模块发送的数据后进行解析和显示数据操作，实现了节水灌溉系统测量参数远程监测设计，同时可以通过WIFI模块下发控制命令修改阈值和控制设备工作ESP8266WIFI模块集成度高，工作频率为2440-2480HZ，发射电流小于20mA，接收灵敏高，外部预留GPIO口、RST复位管脚、CH_PD使能管脚以及串口通讯管脚TXD和RXD，工作电压3.0V-3.6V，将LDO-3.3.V芯片输出的电压接到ESP8266WIFI模块电源接口，将CH_PD管脚接3.3V电源，串口接单片机的PA9和PA10管脚，ESP8266WIFI模块电路设计如图3.9所示。图3.9WIFI模块电路连接图3.7水泵驱动电路设计节水灌溉主要采用水泵进行植物或农作物浇灌，水泵属于直流电机器件，工作电流较大，单片机端口无法直流驱动直流电机，所以采用功率放大器件L298N内置H桥芯片进行驱动，实现智能灌溉，L298N驱动芯片属于大电流控制器件，可以同时带动两个直流电机工作，本设计采用一个水泵进行灌溉，L298N的输入端IN1和IN2作用实现水泵抽水，当IN1为高，IN2为低时，直流电机转动，当IN1和IN2都为低时，直流电机关闭，L298N驱动电机电路如图3.10所示。图3.10水泵驱动电路3.8电源电路设计由于采用的土壤湿度传感器、光照强度传感器、WIFI模块和单片机采用3.3V供电设计，其余器件采用5V电源，所以通过线性稳压芯片输出3.3V为土壤湿度、光照强度等电路供电，在稳压芯片输入和输出端增加电容来抑制纹波干扰，稳压芯片电路如图3.11所示。图3.11稳压电路设计

第4章系统软件设计4.1系统总体程序设计采用STM32开发平台，通过C语言实现代码编写，首先进行功能模块初始化，单片机采集光照、土壤湿度数据以及获取DS18B20数据，将测量信息在OLED液晶屏上进行实时显示，在自动模式下，检测光照和土壤湿度低于阈值时，自动打开补光灯和水泵工作，同时测量数据通过ESP8266WIFI模块上传到手机APP实现远程监控测量参数，通过手机APP实现土壤湿度、光照强度阈值修改、远程控制补光灯和水泵工作，主程序控制流程图如4.1所示。

图4.1主程序控制流程图4.2光照和土壤湿度检测程序设计编写程序时，首先初始化A/D端口并配置采样通道为ADC1，启动A/D转换，STM32单片机内部12位模数转换器采集模拟量信号，分析计算得到数字量数据，再根据参考电压3.3V，根据A/D转换公式得到土壤湿度传感器和光照传感器当前输出电压值，按照土壤湿度传感器和光照传感器规格书中电压与雨水量以及光照强度的关系计算当前土壤水份含量和光照强度，测量数据显示在OLED液晶屏上，根据雨量和光照控制设备工作，A/D采样程序流程如图4.2所示。图4.2A/D采样程序流程图4.3温度采集设计节水灌溉系统采用DS18B20温度传感器检测环境温度变化情况，方便管理员通风工作，单片机通一条数据线实现数据写入和读取工作，读取温度之前首先编写温度传感器写命令函数、读取数据函数，读取温度之前首先发送配置内部ROM命令0XCC，等待几毫秒后发送0X44命令配置DS18B20寄存器，进接着发送0XBE命令启动温度转换并连续读取两个字节温度数据，将两个字节温度数据按照规格书合并成温度的整数位和小数位，转换结果乘以0.0625得到精度更高的温度数据，将测量的温度数据在OLED液晶屏上进行实时显示，DS18B20转换程序流成如图4.3所示。图4.3温度采集流程图4.3OLED显示程序设计节水灌溉系统设计采用全视角的OLED液晶屏显示控制阈值以及土壤湿度和光照强度等信息，OLED液晶屏采用SDA数据线和SCL时钟线控制液晶屏命令写入和数据读写操作，编写程序时，首先初始化OLED液晶屏端口，液晶屏代码初始化，并显示开机内容，编写字节函数时，SCL时钟线给定8个脉冲信号后，高位在前，写入8位数据到SDA端口，通过写字节函数发送OLED液晶屏内部命令0X00和0X40控制液晶屏写数据和写命令函数操作，编写显示字符函数设置显示起始坐标、终止左右以及显示内容，将测量的土壤湿度数据、光照数据以及阀值等送入OLED液晶屏显示，OLED液晶屏程序流程图如图4.4所示。图4.4液晶屏显示程序流程图4.4WIFI传输程序设计设计采用物联网WIFI模块实现测量的土壤湿度、光照强度以及环境温度上传到手机APP进行远程监控，编写程序前，首先在手机APP创建服务器连接地址和端口号，用于ESP8266WIFI模块与手机APP通过服务器地址和端口号建立连接。初始化串口1，设置波特率9600，启动串口中断，编写发送函数，按照http协议编写封包函数，发送AT指令建立ESP8266模块与手机热点连接，并完成手机APP连接，在手机APP上创建数据流信息且名称与发送数据名称一致，手机APP接收到数据进行实时显示，同时手机APP上具有模式切换和远程控制水泵开关操作，WIFI传输数据流程图设计如图4.5所示。图4.5WIFI模块流程图设计4.5直流电机控制程序设计水泵控制采用H桥驱动芯片L298N，单片机通过控制IN1和IN2两个管脚时序变化，实现水泵转动，当控制水泵转动时，IN1为高，IN2为低，控制水泵停止时，IN1和IN2都为低，直流电机控制程序流程如图4.6所示。图4.6直流电机控制流程图4.6手机APP平台的开发手机APP通过JAVA编程语言在eclipse编译器上实现源代码开发，创建工程如下图4.7所示。图4.7eclipse编译环境创建编写采用main.xml文件编写主要程序，并且在创建的工程目录RES下可以直接查看这个文件，编写界面如下图4.8所示。图4.8XML编程界面在Client目录下编写JAVA语言设计，实现手机APP界面设置以及命令处理等操作，编写内容如下图4.9所示。图4.9代码编写界面代码编写完成后，创建.apk安装包并安装在手机上，通过手机APP实现节水灌溉远程控制和数据显示操作界面如下图4.10所示。图4.10手机APP界面第5章系统调试智能节水灌溉系统调试主要分为硬件调试和整机调试两部分来验证功能、性能是否满足开题报告要求，调试过程是为了更好的完善产品，将测试过程中的BUG进行修复，才足以保证产品稳定运行。5.1硬件调试智能节水灌溉系统实物焊接之前，首先按照AltiumDesigner原理图绘制软件中生成明细，按照明细购买STM32F103C8T6单片机、液晶屏、传感器、水泵、WIFI模块以及电阻、电容等器件，根据使用器件进行布局，采用不同颜色导线进行器件连接，通过万用表测量板卡短路和断路现象是否存在，焊接实物如图5.1所示。图5.1焊接实物5.2功能测试系统上电：将USB电源线一头接电源插座，另一端接电脑USB口或手机充电为系统供电，各个传感器电源指示灯点亮，打开手机热点，找到ESP8266热点名称，点击连接，几秒钟后液晶屏显示测量数据和阈值，如图5.2所示。图5.2系统上电图光照测试：用手遮挡光敏电阻，使得光照强度低于阈值，观察液晶屏显示信息是否正确，同时观察光照强度低于安全阈值时补光灯能否正常工作，在光照强度高于安全阈值时补光灯是否正常关闭，如图5.3所示。图5.3光照强度测试远程开关灯：点击手机APP上开、关灯按钮，测试点击开灯按钮补光灯是否正常开启，点击关灯按钮补光灯是否正常关闭，如图5.4所示。图5.4远程开关灯测试阈值修改测试：点击手机APP上光照强度、土壤湿度阈值修改按钮，观察液晶屏和手机APP上阈值变化，测试阈值是否实现点击土壤湿度阈值增加的同时安全阈值增加，点击土壤湿度阈值减小的同时安全阈值减小，测试阈值是否实现点击光照阈值增加的同时安全阈值增加，点击光照阈值减小的同时安全阈值减小，如图5.5所示。图5.5阈值修改测试远程控制水泵：点击手机APP上加水按钮，观察水泵是否工作，再点击手机APP上停止按钮，观察水泵是否停止工作，如图5.6所示。图5.6远程控制水泵土壤湿度控制水泵测试：调节阈值高于当前土壤湿度，水泵是否自动启动，将手上增加水份，捏住土壤湿度传感器，观察土壤湿度是否升高和水泵在土壤湿度超过安全阈值的情况下是否正常关闭，如图5.7所示。图5.7土壤湿度控制水泵测试通过硬件和整机调试充分验证了智能节水灌溉系统硬件电路设计合理，万用板制作无在缺陷，整机调试验证传感器检测灵敏度高，液晶屏显示数字清晰可见，水泵工作正常，补光灯工作正常，数据传输稳定，远程控制灵活，通过调试符合设计要求。第6章总结经过几个月的努力完成了智能节水灌溉实物设计，虽然走了很多度弯路，但是复习了旧的知识，学会了查阅文献和阅读芯片资料，通过设计学习了智能节水灌溉的基本原理，了解了STM32F103C8T6单片机、水泵、OLED液晶屏以及土壤湿度和光照强度检测传感器的工作原理、接口的输入输出方式以及工作电流、电压配置。智能节水灌溉系统设计主要以单片机为核心控制器，通过模数转换器对土壤湿度传感器、光照传感器输出模拟量信号进行采集，计算土壤湿度和光照强度值，读取DS18B20温度传感器数据，将测量的环境参数送入OLED液晶屏显示，测量数据通过WIFI模块上传到手机APP进行远程监控，利用手机APP实现自动和远程模式切换，当测量土壤数据低于阈值时，自动开启水泵进行灌溉，光照强度过低自动补光，利用手机APP上的调节按钮，远程控制安全阈值，这样设计使得灌溉更加智能化、自动化，方便管理人员管控，节省水资源浪费。通过节水灌溉系统设计，让我锻炼了动手能力、学会了电路板焊接和调试方法，编写代码熟练度提高很多，掌握了智能节水灌溉系统实现的工作的原理，为以后电路开发打下基础。

参考文献[1]李虹.社会医疗保险中心报销系统的设计与实现[D]..东北大学,2014[2]张永强.计算机软件Java编程特点及其技术分析[J].计算机产品与流通,2019,6(08):34-38.[3]杨坤漓.基于DS18B20水温控制系统设计[J].郑州工业应用技术学院.,2017,16(11):441-445.[4]邓昀,程小辉.智能灌溉系统的无线传感器网络设计[J].自动化表,2013,34(02):80-83+88.[5]巢喜剑，浅析I0T智能农业灌溉系统的国内外研究现状[J].江西工程学院,2016.4(12):30-35.[6]葛承轩.基于ZigBee智能节水灌溉系统的设计与实现[D].北京工业大学,2008.[7]李阳.基于物联网的智能花卉养护系统的研究[D].黑龙江大学,2017.[8]赵震奇.智能灌溉系统上位机软件的设计与实现[J].计算机时代,2012(12)：61-64.[9]张建华，吴健寨，韩树庆.农业传感器技术演技进展与性能分析[].农业展望,2017,13(1).[10]李成祥.热交换式农业大棚温湿度自动控制系统[D].中国海洋大学，2012.[11]王福平,冯盼盼.基于GPRS和ZigBee的智能灌溉监控系统的设计[J],江苏农业科学,2014,42(12):404-406.[12]王吉星,孙永远.土壤水分监测传感器的分类与应用[J].水利信息化,2010(05):37-41.[13]李杜，霍金兰，陈永明.作物光照智能调控技术研究[J].农机化研究，2017,(09):36-39.[14]张萍.基于ESP8266和OneNET云平台的远程报警系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2017,17(12):4.[15]方圆.棉田土壤温湿度信息监控系统设计与研究[D].石河子大学,2020.[16]LingZhu,ZunYangZhang.Water-SavingIntelligenceIrrigationSystemsDesignBasedonZigBeeTechnology[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,3634(687).[17]MBubak,WFunika,MSmetek.ArchitectureofMonitoringSystemforDistributedJavaApplication.RecentAdvancesinParallelVirtualMachine,2013.[18]GravelineNina,GrémontMarine

HYPERLINK\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"Theroleofperceptions,goalsandcharacteristicsofwinegrowersonirrigationadoptioninthecontextofclimatechange[J]

AgriculturalWaterManagement,2021,250[19]BenyezzaHamza,BouheddaMounir,RebouhSamia

HYPERLINK\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"ZoningirrigationsmartsystembasedonfuzzycontroltechnologyandIoTforwaterandenergysaving[J]

JournalofCleanerProduction,2021,302[20]FranciscoJ.Dí,az,JuanC.Sanchez-Hernandezetal.

HYPERLINK\t"/en/Detail/index/GARJ2021_1/_blank"Effectsofirrigationmanagementonaridsoilsenzymeactivities[J]

JournalofAridEnvironments,2021,185

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