基于STM32的溫室環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)

郭磊

摘要 目前應(yīng)用中的溫室環(huán)境監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單，僅僅實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，未實現(xiàn)根據(jù)導(dǎo)入的參數(shù)模型對環(huán)境因子進行自動調(diào)控，本文應(yīng)用STM32作為總控制器處理器，STC單片機作為采集部分的處理器，每個溫室里裝有一個ZigBee設(shè)備，運用NB-IoT技術(shù)的無線模塊，將園區(qū)狀態(tài)傳到手持終端。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);傳感器技術(shù);ZigBee通信;NB-IoT 窄帶通信

當前，農(nóng)業(yè)科技取得了長足的進步，可具備環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能是科技大棚的必備條件，其中溫濕度、光強和CO2含量，可以改變種植物的狀態(tài)。但是，應(yīng)用過程中還存在一些缺陷。鑒于此，論文中運用STM32作為核心控制芯片，配合NB-IoT窄帶無線模塊，將采集的參數(shù)值利用窄帶無線模塊遠程傳送給移動終端，進行進一步的顯示和處理。

1. 系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計

本論文設(shè)計的溫室監(jiān)控設(shè)備可以做到對園區(qū)內(nèi)多個溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光強、CO2含量的全天候采集，園區(qū)內(nèi)為局域網(wǎng)。設(shè)計以STM32微控制芯片為平臺，對溫濕度、光照和CO2濃度傳感器輸出的信號進行采集。

2.系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點部分硬件設(shè)計

每個溫室需要放置一個采集節(jié)點設(shè)備，負責監(jiān)測所在溫室的環(huán)境因子參數(shù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的濾波處理，將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線模塊傳送給通信控制器。該部分內(nèi)容包括確定了單片機的型號，選定了基于CC2530的無線模塊，對環(huán)境參數(shù)檢測傳感器做了比較與選型。

2.1.1 單片機選型與設(shè)計

采集節(jié)點部分外圍電路包括四種傳感器和無線模塊，占用資源較少，因此選用了51系列單片機作為主控制器。

2.1.2 ZigBee模塊選型與設(shè)計

CC2530是由德州儀器（TI）公司設(shè)計生產(chǎn)的，可用在2.4GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用。內(nèi)部包含有高質(zhì)量的RF收發(fā)器和工業(yè)級51內(nèi)核，因此也稱作無線單片機，

2.1.3 傳感器選型與設(shè)計

DHT11溫濕度傳感器輸出信號為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)已進行濾波和校準，可以同時測量并輸出溫度和濕度參數(shù)。采用BH1750FVI作為光照強度采集傳感器，I2C數(shù)據(jù)通信總線數(shù)字量輸出，十六位精度（1～65535 lx的高分辨率），不區(qū)分光源，檢測范圍大。MG811作為二氧化碳濃度檢測傳感器。

2.2通信控制器硬件設(shè)計

2.2.1 處理器選型與設(shè)計

STM32處理器按功能分為幾個系列，即基本型、增強型、USB基本型、互補型系列。其中增強型和基本型的時鐘頻率分別為72MHz和36MHz，增強型系列時鐘頻率最高。

2.2.2 NB-IoT選型與設(shè)計

本系統(tǒng)選用的NB-IoT模塊為上海穩(wěn)恒電子生產(chǎn)的WH-NB75，兼容我國三大運營商NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee無線通信協(xié)議模塊軟件設(shè)計

所有通信采用如下通信格式如表3.1所示。

其中，68H是幀頭，校驗碼的值等于通信格式內(nèi)前七個字節(jié)二進制算術(shù)和的低8位。

3.2 采集節(jié)點模塊軟件設(shè)計

3.2.1 溫濕度采集部分程序設(shè)計

DHT11的通訊方式與溫度傳感器DS18B20類似，即單總線方式，只需要占用單片機的一個端口進行數(shù)據(jù)傳送。

3.2.2 光照強度采集部分程序設(shè)計

BH1750與單片機通過I2C總線進行通訊連接，數(shù)據(jù)輸出過程為：首先通電發(fā)送指令0x01，最后進行數(shù)據(jù)的傳送。光照強度的計算公式為（返回值*分辨率）/（1.2*靈敏度）。

3.2.3 MG811二氧化碳濃度采集部分程序設(shè)計

MG811傳感器常用于探測家庭、溫室環(huán)境內(nèi)CO2的濃度，MG811的靈敏度特性曲線說明了MG811敏感元件在幾種常見氣體，各種濃度時的輸出電壓值。

3.4 農(nóng)作物生長模型建立

西紅柿的生長過程對溫度要求比較嚴格，不宜過高和過低，為喜溫種植物類。如果西紅柿的生長環(huán)境出現(xiàn)光線比較暗、溫度比較高、土壤太濕等情況會造成幼苗徒長。

4.系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

4.1 無線數(shù)據(jù)通信測試

首先對ZigBee模塊進行通道、模式和PIN ID設(shè)置，配置1個協(xié)調(diào)器（Coordinator）和3個終端（Router）Zigbee模塊。焊接完成的采集節(jié)點和通信控制器電路板如圖4.1所示。在有人透傳云二次開發(fā)SDK Demo的基礎(chǔ)上修改程序，開發(fā)符合溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通信協(xié)議的終端APP。登錄成功后的檢測界面如圖4.2所示。

5. 總結(jié)

本篇論文針對溫室農(nóng)作物種植過程中遇到的實際困難提出了解決方案，主要研究成果如下：制定了系統(tǒng)中各模塊間以及對外的通信協(xié)議，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤的情況。對采集節(jié)點模塊和通信控制器模塊的硬件、程序進行了設(shè)計。實現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境因子的遠程無線實時采集、顯示，當某個參數(shù)值超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)可以利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)提醒種植戶。

參考文獻

[1]王冉冉.針對西紅柿生長特性的物聯(lián)網(wǎng)集成控制的溫室智能通風系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].智能計算機與應(yīng)用，2015，3：72-76.

[2]韓成春.日光溫室設(shè)施果品生產(chǎn)智能監(jiān)控信息化技術(shù)研究[J].福建電腦，2016，3：15-16.

[3]賀文通.自動化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計中的應(yīng)用探討[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017，38：104-105.

[4]龔志遠.基于單片機與PLC協(xié)作的大棚智能監(jiān)控[J].制造業(yè)自動化，2019，5：5-8.

[5]張鵬.基于無線網(wǎng)絡(luò)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].商場現(xiàn)代化，2013，28： 13-15.

[6]肖天成.無線通信技術(shù)在遠程測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].華中科技大學，2012.

齊魯工業(yè)大學電氣工程與自動化學院 濟南 250353