基于STM32 单片机智能灌溉小车设计

赖其英，冼灿娇，何天浩，罗瀚，李甜甜，许晓云

（广西民族师范学院，广西崇左，532200）

0 前言

随着市政、企业园林绿化面积的不断扩大，绿化灌溉面积的不断增加以及对精细灌溉要求的逐步提高，实现灌溉管理的自动化/智能化、可视化已成为园林绿化工作的重点。

国内传统灌溉方式用水量极大，但对水的利用率却很低，人工皮管漫灌的这种单一老式的浇灌方式会导致无效蒸发的水高达80%，因而致使水资源的利用率在全国范围内未达到40%，大量绿化用水被白白浪费掉[1]。减少园林绿地的灌溉用工，降低维护管理成本，提高灌溉精准度、完善灌溉制度，提高水资源利用率以及改变人为操作的随意性等，是目前绿化灌溉工作中迫切需要解决的问题。设计一款便携式智能灌溉设备，能够及时对指定环境的温湿度进行检测，并根据设定的参数对目标绿地进行灌溉。

近年以来，日趋成熟和完善的无线网络通信技术、嵌入式技术和视频处理技术等核心技术，培育了智能小车的发展，如今智能控制系统小车具备丰富多样的特征[2]。基于这些核心技术，设计出一款自由移动循迹式小车，实现远程查看数据并对小车发出指令，可以在手机app 上查看当前不同位置的环境参数值，从而对小车发出指令前往指定地点工作。

1 设计思路

为了增加园林绿化的层次感与美感，往往采取多种需水特性不同的植物混合种植，同一片绿化中可能出现有草坪，花卉，树木等，需要采用不同的灌溉方式与灌溉用水量去满足多元化植物的生长需求。人工浇洒的单一性无法同步配合植物生长，就无法实现原定的园林设计效果。使用自动控制设备后，还可实现夜间无需人工的定时定点自动灌溉，减少蒸发，同时还可避开城市用水高峰期。

根据需求设计这一系统，能够实时监测指定环境的土壤温湿度，通过多点测量的方式对环境温湿度参数进行判断，并将所获数据传送至阿里云平台，控制系统对该植物的需水量进行分析计算后传送给小车进行灌溉。设计一款手机App 读取阿里云平台的数据，便于用户足不出户实现远程控制灌溉，当小车搭载的储水水箱中的水位传感器监测到水箱内水位低于限定值时做报警处理并通知用户及时补充水量。且小车具有GPS 定位功能，当小车发生意外情况立即终止工作并将定位发送给用户。

2 硬件设计

该系统的主要模块包含STM32 单片机主控模块、图传信息模块、舵机驱动模块、无线通信模块、温湿度检测模块、GPS 定位模块、避障模块等。

本设计采用STM32F407VET6 作为智能小车的主控模块。采用LU-ASR01 作为智能语音识别模块，工业级MP3-BY-F610 作为语音播报模块，用于播报灌溉小车的工作状态，当小车发生意外情况时会发出报警信息提醒用户。无线通信模块采用的是ESP8266-01S WiFi 作为STM32 单片机与手机APP 通信的无线模块，ZigBee 3.0 CC2530 作为连接阿里云平台的模块。传感器模块采用的是XH-M214 土壤温湿度控制模块，时刻监测土壤温湿度变化。避障模块采用3 个HC-SR04 超声波模块，一个HLK-LD2410-24G 人体存在雷达感应模块，用于小车避障和物体测距，3 个MG996R舵机用来连线超声波模块测距离的长度。基于ATGM336H-5N 的高性能BDS/GNSS 定位导航模块，1 个ESP32-CAM OV7670 摄像头模块，2 个红外发射接收管。

■2.1 硬件框图设计

主控模块接收传感器采集各项的数据，在对数据进行分析与处理之后通过液晶显示屏显示给用户，用户可以看到各采集点的土壤温湿度系数。进行处理过的数据使用无线通信模块上传到阿里云平台，而手机APP 可以同步读取阿里云平台的数据，保证用户在任何地点不管采用手机还是电脑都能获取当前土壤环境的温湿度系数，从而安排小车进行灌溉工作。系统设计框图如图1 所示。

图1 系统框架图

■2.2 硬件模块介绍

2.2.1 主控模块

单片机主控模块选择的是STM32F407VET6，它的内核采用Cortex-M4 处理器，时钟频率高达168MHz，拥有先进的计算性能和中断嵌套响应系统，加入汇编语言编写的DSP 库更是锦上添花，很好地保证了系统的实时性[3]。需要提供的工作电压范围在1.8～3.6V 之间，供电常采用的是3.3V。其采用SMT 工艺，具有较小的尺寸和更少的元件，成本较低，拥有高性能、低功耗和丰富的外设资源等优点。STM32F407VET6 最小系统板具有丰富的I/O接口，可以轻松连接传感器、LED 和其他设备。该芯片负责整个系统的数据收集、信息处理和电机控制等。STM32 主控芯片电路图如图2 所示。

图2 STM32 主控芯片电路图

2.2.2 图传信息模块

图传信息模块采用的是ESP32-CAM 和OV7670摄 像 头 模 块，ESP32 是一款高度集成的低功耗WiFi 和蓝牙解决方案，而OV7670 是一款低成本的图像传感器。ESP32 与OV7670 可以实现相互配合，提供图像传输和处理的能力。ESP32 可以通过SPI 或I2C 接口与OV7670 进行通信，获取OV7670 捕获的图像数据。ESP32 可以对这些图像数据进行一系列处理，其中包括压缩、编码、滤波等，以提高图像质量和传输效率。可以使用ESP32 连接阿里云服务器，查看当前摄像头采集的图像，实现智能识别、监控等功能。搭载的摄像头可以查看小车所处的环境，以及植物生长情况。ESP32-CAM 最小系统图如图3 所示。

孔子天命观包含两方面的内容：一是将“天”“帝”作为具有超越性信仰的宗教神学内容，二是将天去殷周时期人格神化上升到人学的内容。简而言之，孔子本人对前者存有敬畏之心，但更倾向于后者。《论语·季氏》中说道：“君子有三畏：畏天命，畏大人，畏圣人之言。”孔子对天命本持体认、敬畏、持守的态度。

图3 ESP32-CAM 最小系统图

液晶显示主要采用的是低功耗、响应速度快、拥有较宽视角的OLED，主要功能是给用户显示传感器获取的当前土壤环境的温湿度数据或摄像头采集的图像，可以让用户实时观察土壤的温湿度变化和小车的状态信息，从而对小车下达恰当的指令工作。

2.2.3 语音报警模块

采用LU-ASR01 作为智能语音识别模块，可以自定义唤醒词，最多定义5 个唤醒词，至少2 个字，具有高识别率，10 米内识别率达到98%。其中DHT 接口接DHT11 模块，配置对应的识别词条即可进行温湿度播报。工业级MP3-BY-F610作为语音播报模块，用于播报灌溉小车的工作状态，当水箱中的传感器检测到水位低于限定值时触发报警，提醒用户及时补充水量。若小车发生意外情况时会发出报警信息提醒用户。

2.2.4 无线通信模块

本设计选择的通信模块是ESP8266 串口转WiFi 模块。ESP8266 模块采用32 位的Tensilica 处理器构架，它集成了WiFi 功能和TCP/IP 协议栈，具有可靠的数据传输能力，并可以通过串口与控制器进行通信。ESP8266 可作为WiFi客户端或者WiFi 接入运行，作为客户端，ESP8266 可以连接到现有的WiFi 网络，实现与互联网的通信，作为AP 它可以创建自己的WiFi 网络，允许其他设备连接到它并进行数据交换。ESP8266 通过串口与主控器进行通信，使用AT指令集作为通信协议，主控制器可以通过发送AT 指令给ESP8266 来控制WiFi 连接、数据传输和网络配置，除此之外ESP8266 还可以通过SPI 和I2C 等接口与其他外部设备进行通信。WiFi 与其他通信模块相比，不仅具有更宽的带宽、更高的射频信号，而且功耗低和成本都较低。在本设计中ESP8266 是通过MQTT 协议实现与平台连接。

2.2.5 舵机模块

SG90 舵机通过PWM 信号的占空比转动角度，本设计舵机1通过左转90°、右转90°来辅助用户转动摄像头查看小车周围环境；舵机2 通过左转90°、右转90°，探测小车周围是否存在障碍物，以便小车选择行进方向；舵机3为360°旋转，保证喷洒角度的全面性。本设计舵机的控制方式为闭环控制，闭环控制在开环控制的基础上增加了位置反馈装置，这种控制方式精度高、稳定性好。此外，三个舵机分别接在单片机自带的PWM 接口：PA1、PA2 和PA3 中，由单片机的定时器自带的PWM 驱动。

2.2.6 温湿度检测模块

2.2.7 喷洒模块与水位检测

本设计的喷洒装置采用了喷洒喷头、电机与继电器的组合，单片机通过输出高低电平来控制喷头的喷洒，该喷洒装置静音无噪声、水雾均匀细腻且水量较大，对待植物更为友好。通过喷洒装置与水位传感器DAC、蜂鸣器结合，实现小车的灌溉工作。容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到STM32，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，若出现偏差，则说明水箱水位不足，单片机将做出反应，引发蜂鸣器发出警报，并关闭喷洒装置，随小车返回。

2.2.8 GPS 定位模块

GPS 模块是集成了RF 射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。模块支持多种卫星导航系统，包括中国的北斗二号和北斗三号全部卫星、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、日本的QZSS，可以同时接收以上卫星导航系统的卫星信号，并且实现联合定位、导航与授时，模块具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势是目前最常用的室外导航系统。可以实时传送小车位置信息，避免小车丢失，保证小车安全。

2.2.9 循迹、避障模块

本设计通过搭载HC-SR505 人体感应模块、超声波和TCR5000 红外传感器模块保证小车能避开障碍物顺利行进。HC-SR505 能够探测人体的红外辐射，并将这些信号转化为电信号，从而实现对人体活动的监测。本设计的HCSR505 模块为全自动感应，当检测到有人进入感应范围，则输出高电平，人离开后感应范围自动延时，输出低电平。TCRT5000 具有测距和感知物体存在的功能，红外传感器连续产生红外信号，通过障碍物反射，红外接收器检测，以此判断障碍物的位置距离。HC-SR505、超声波和 TCR5000将识别到障碍物的信号传送至STM32 单片机，经控制系统分析判断后控制驱动电机实现小车绕开障碍物，保证小车的顺利行进。除此之外，小车在行驶过程中，还会利用自动导航技术进行路径规划，并通过视觉传感器等感知周围环境，确保安全行驶。

3 软件设计

■3.1 系统软件的总体设计

本设计使用Keil 进行软件编程、Proteus 进行仿真。美国Keil Software 公司出品的兼容单片机C 语言软件的开发系统Keil，为单片机软件设计提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具；而Proteus 嵌入式系统仿真与开发平台是可将PCB 设计软件、虚拟模型仿真和电路仿真软件相结合的设计平台，能够实现代码调试、原理图设计以及单片机与外围电路协同仿真，并能轻松切换到PCB 图版设计，实现了从理论到产品的完整设计，便于上手[5]。且虚拟仿真技术弱化了系统对于硬件的依赖，降低实验成本[6]。在系统进行初始化后，等待上机指令，启动小车的控制程序，在连接成功后小车执行其所对应的控制子程序，单片机读取ESP8266 模块的数据信息并将信息通过OneNet 平台发送至手机端，经过系统分析是否需要灌溉、灌溉水量， 而后制定灌溉方案，小车在接收到灌溉信号后启动前往指定地点进行灌溉工作。若遇到障碍物，喷洒装置立即停止工作，小车自动选择行进路径，路径选择完毕继续喷洒若水位低于预设水位，报警装置发出警报，小车停止喷洒，小车返回。

系统软件总体设计流程图如图4 所示。

图4 系统软件总体设计流程图

■3.2 手机APP 的软件设计

系统会不断地收集数据，并通过云端服务器进行分析和处理。通过数据分析，系统可以自动调整灌溉策略，如根据植物的生长情况调整灌溉量、灌溉时间等，从而实现更高效的灌溉效果，这款APP 由 MIT App Inventor 网页版设计。

基于STM32 的智能灌溉小车软件主要围绕几大功能：

（1）小车位置信息的实时监控；

（2）规划小车的运行路径控制小车工作；

（3）记录土壤温湿度数据信息；

（4）工作人员可以通过搭载的摄像头查看小车所处的环境，以及植物生长情况；

（5）监控水箱的水位状态和电池的电量。水位和电量不足时，手机将弹出警告信息，提醒工作人员及时添加水箱或更换电池；

（6）切换小车工作模式。通过APP 可以改变小车的控制方式，工作人员可选择自动控制模式或手动控制模式。

4 系统实物及测试结果

■4.1 实物

灌溉小车实物如图5 所示，智能灌溉小车外壳由金属框架、亚克力板组成，底盘为铝合金履带式底盘搭配四个CGM-25-370 电机，可载重15kg，全车长约545mm，宽355mm，装载12V，8Ah 的直流锂电瓶，通过控制一枚12V 直流电压的水泵和喷头来实现浇灌功能。

图5 灌溉小车

■4.2 测试结果

通过Arduino IDE 开发环境编写程序代码，上传至ESP32 CAM 模块并将ESP32 CAM 模与HW-95 L298N 电机驱动板模块连接，使用时需用手机连接ESP32 CAM 设置好的WiFi，输入IP 地址即可打开操作界面，通过手机来控制小车的前进、后退和左右转弯。

小车水箱容量为5.5L，喷桶可以进行360°转动，喷头可以实现条状灌溉和雾状灌溉，条状灌溉的半径为4.2m，雾状灌溉的半径为2.8m。

5 结语

本设计完成了一个智能灌溉小车，这款灌溉小车可以通过土壤的温湿度信息，辅助工作人员制定灌溉方案，并下达命令使小车前往灌溉。相比于市面上的一些智能灌溉设备，本设计小巧轻便，有多种控制方式用户可根据需求灵活切换选择其一。还可实现远程控制，不管用户是想要足不出户就可对户外植物进行灌溉还是出差在外也依然可以对家中植物进行灌溉，时刻保证植物的正常生长。系统对土壤湿度、作物需水量等数据进行实时监测、数据采集和处理，而后根据各作物的不同需水要求来科学有效地控制灌溉。除此之外，智能灌溉小车具备灵敏的避障功能，有较强的稳定性、实用性、高效性且有利于节省水资源、缓解水资源的日益紧张等优点。本设计主要面向家庭院落、社区等小型绿化，灌溉工作更为精细，采用全自动化的操作模式，彻底解放种植管理人员的双手，节省了大量人力物力，可实时工作确保土壤湿度。APP 操作简单容易上手，适用于大部分人群，具备图传功能，且APP 页面会实时显示土壤及小车信息，方便用户随时随地实时监控植物的生长发育状态以及查看小车的工作状态。