基于STM32與3G技術(shù)的植物工廠遠程監(jiān)測系統(tǒng)

黃天宇 黃葉琨 郭嘉欣

【摘要】 植物工廠代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一。植物工廠的發(fā)展方向是大型化和家庭化，然而不論何種發(fā)展方向，都要求我們可以從客戶端中遠程實時的檢測植物工廠的植物的生長狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)情況。所以基于3G通訊技術(shù)，我們設(shè)計了一套遠程監(jiān)測系統(tǒng)，并給出了軟硬件的設(shè)計方案。實驗結(jié)果證明，對植物工廠可以起到長期穩(wěn)定的監(jiān)測效果。

【關(guān)鍵詞】 植物工廠 3G STM32

引言：近年來國家越來越重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，而植物工廠則是國際上公認的設(shè)施農(nóng)業(yè)最高級的發(fā)展階段，是一種技術(shù)高度密集，不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。目前植物工廠的檢測方式一般都是在植物工廠內(nèi)部使用顯示屏幕方式直接呈現(xiàn)，然而對于未來大規(guī)模植物工廠或者家庭植物工廠而言[1]，用戶更需要的是遠程就可以得知植物工廠內(nèi)植物的生長情況與環(huán)境參數(shù)如何。正是由于這種需求，所以我們設(shè)計了本系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)由感知層子系統(tǒng)，傳輸層子系統(tǒng)與應(yīng)用層子系統(tǒng)構(gòu)成。其中感知層子系統(tǒng)與傳輸層子系統(tǒng)主要由下位機硬件構(gòu)成，而應(yīng)用層子系統(tǒng)則是通過C++語言進行編程的客戶端?？傮w框架如圖1所示。

二、感知層子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)硬件由STM32F103ZET6單片機作為主控芯片，采用了DHT11大氣溫濕度傳感器，BH1750FVI光照強度傳感器，SMS-II-100土壤溫濕度傳感器與MG811二氧化碳濃度傳感器。利用單片機對傳感器檢測到的數(shù)字量或模擬量進行采集和轉(zhuǎn)化，以便后續(xù)通過傳輸層子系統(tǒng)發(fā)送到上位機進行處理。

1、主控制器模塊。本系統(tǒng)采用的控制單元是意法半導(dǎo)體公司的STM32單片機，它具有32位處理器，時鐘頻率達到72MHZ，具有豐富的外設(shè)資源，是專為高性能，低功耗，低成本的嵌入式設(shè)備而設(shè)計的芯片，較強的運算能力足以達到本系統(tǒng)的要求。它主要負責采集和處理傳感器數(shù)據(jù)并通過3G模塊將數(shù)據(jù)打包傳送至上位機中。

2、多傳感器檢測模塊。1）DHT11溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。該傳感器測量濕度的量程為20～90% RH，精度為±5% RH，測量溫度量程為0～50 ℃，精度為±2℃，工作電壓為3.5～5，5V，工作電流平均為0.5mA，分辨率為8位，采樣周期為1s。值得注意的是，用MCU對其進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候要注意這個傳感器的時序。[2]2）BH1750FVI光照強度傳感器。BH1750FVI為不區(qū)分光源的光照強度傳感器，他一種基于I2C編程的集成電路傳感器，可以實時的反應(yīng)植物工廠中的光照強度。此傳感器的精度可調(diào)，且最高精度為0.5lx，量程為1～65535lx，同時此傳感器內(nèi)置了一個16位的A/D轉(zhuǎn)換器。[3]3）SMS-II-100土壤溫濕度傳感器。SMS-II-100土壤溫濕度傳感器來自大連祺峰科技公司，具有功耗低，測量精度高，防水耐腐蝕等特性，特別適合用于農(nóng)田或大棚中土壤溫濕度的測量。輸出方式有兩種可選，0～20mA的電流輸出方式或者0～2V的電壓輸出方式，前者適用于較大阻抗負載，后者適用于小負載。其水分測量范圍為0～50%或者0到100%，誤差小于5%，溫度測量范圍為-40～80攝氏度，誤差小于0.4攝氏度。4）MG811二氧化碳濃度傳感器。MG811二氧化碳傳感器使用雙路信號輸出，包括TTL高低電平信號與模擬量信號輸出，對二氧化碳有良好的選擇性和很高的靈敏度，量程為0到10000ppm，具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，并且輸出時自帶溫度補償。缺點是線性度較差，需要用軟件編程進行擬合。[4]

三、傳輸層子系統(tǒng)

1、硬件設(shè)計。本設(shè)計中采用芯訊通公司（SIMCom）的WCDMA/HSDPA模塊SIM5320e，其支持下行速率達3.6Mbps，并且內(nèi)置GPS和A-GPS，性價比非常高。SIM5320e模塊與STM32的物理連接為STM32串口二的TXD與SIM5320E的RXD相連，STM32串口二的RXD與SIM5320e的TXD相連。

2、程序設(shè)計。SIM5320e與STM32之間通過串口發(fā)送和接受AT指令進行通訊。首先發(fā)送AT指令“AT+ CGSOCKCONT=1，IP，3gnet”，然后發(fā)送“AT+TCPCONNECT=服務(wù)器端公網(wǎng)IP，端口號”使之連接上服務(wù)器端，注意此處連接時需要公網(wǎng)的IP地址。發(fā)送數(shù)據(jù)包時候，發(fā)送“AT+TCPWRITE=n”，其中n為要發(fā)送的字符串長度，接著直接發(fā)送相應(yīng)長度的字符串就可以將數(shù)據(jù)內(nèi)容打包發(fā)出了。發(fā)送的數(shù)據(jù)需要加上幀頭打包成數(shù)據(jù)包的形式發(fā)出，這是為了在服務(wù)器端進行解包的時候分辨出該數(shù)據(jù)是哪一個環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，以便存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。程序設(shè)計流程如圖2所示。

四、應(yīng)用層子系統(tǒng)

4.1 程序設(shè)計

Socket又稱套接字，在程序內(nèi)部提供了與外界通信的端口，即端口通訊。通過建立Socket連接，可以為通信的雙方提供通道。Socket具有數(shù)據(jù)丟包率低，編程簡單，可移植性高等優(yōu)點。在客戶端中首先聲明一個Socket類的的對象，然后調(diào)用lisen（）函數(shù)進行實時監(jiān)聽，一旦有客戶端向服務(wù)器發(fā)送連接請求便啟用accpet（）函數(shù)與之相連，用receive（）函數(shù)從下位機中進行數(shù)據(jù)的獲取。接著使用ADO的數(shù)據(jù)庫編程手法，首先初始化OLE/COM環(huán)境，為訪問ADO接口做準備，然后創(chuàng)建Connection對象，接著為Adoconn類添加GetRecordSet的函數(shù)，目的是為了打開并獲得記錄集，之后為Adconn類添加ExecteSQL函數(shù)，目的是用來執(zhí)行SQL函數(shù)，最后設(shè)置并退出記錄集。在receive（）函數(shù)獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)包并解包后，利用GetRecordSet（）函數(shù)聲明一個myrecord的對象，然后用AddNew（）和Update（）函數(shù)進行添加與刷新數(shù)據(jù)庫。

4.2 服務(wù)端軟件運行

服務(wù)器端軟件運行流程圖如圖三所示：

五、 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計中，主要通過3G無線傳輸技術(shù)和多種傳感器實現(xiàn)了對遠程植物工廠的環(huán)境數(shù)據(jù)和植物狀態(tài)的實時監(jiān)測，可以長期穩(wěn)定運行。與傳統(tǒng)監(jiān)測方式相比更加靈活方便，與2G等網(wǎng)絡(luò)方式相比，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸量都有所增加。

參 考 文 獻

[1] 楊其長，張成波，植物工廠概論M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2005.

[2]韓丹翱，王菲. DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究[J]. 電子設(shè)計工程，2013，13：83-85+88.

[3]王海燕，陳貴斌，熊志成. 基于BH1750芯片的智能窗簾控制系統(tǒng)設(shè)[J]. 現(xiàn)代建筑電氣，2015，03：48-50+63.

[4]陳樹成，楊志勇，王科. 基于MG811探頭的二氧化碳采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，01：47-50.