基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統的設計

宋林桂,陳清

摘? 要：本文提出了基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統的設計思想，通過STM32F103C8T6微控制器和環境監測傳感器實時地監測大棚里的環境溫濕度、光照、土壤濕度、CO2濃度、視頻等環境信息并通過WIFI技術無線將數據信息傳到電腦終端，用戶可以在電腦終端遠程查看大棚里環境信息和作物的生長情況。

關鍵詞：WIFI技術；STM32F103C8T6；視頻；環境監測

中圖分類號：TP311?????????? 文獻標識碼：A

1?? 引言（Introduction）

目前農業生產仍然以傳統生產模式為主，傳統大棚只能憑經驗灌溉放風拉關遮陽網。同時傳統的農業生產模式無法監測大棚里的環境信息，不能科學有效地促進作物的產量、品質和調節生長周期。本文提出了一種基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統設計實現方案，通過WIFI技術無線傳輸農業大棚的環境信息和視頻到用戶端，解決了農業傳統生產模式存在的一些問題。

2?? 系統總體設計（System design）

圖1 系統框圖

Fig.1 The block diagram of the system

WIFI是一種目前得到廣泛應用的短距離無線通信技術，具有成本低、不需布線等優點，可隨機接入因特網是一種比較理想的大棚環境監測解決方案[1]。系統將環境信息和視頻通過網絡發送到電腦終端，系統為了避免布網線采用了WIFI技術，系統采用刷了OpenWrt系統的3G路由器作為無線傳輸模塊。OpenWrt系統自帶了MJPG-streamer軟件和Ser2net軟件，MJPG-streamer軟件傳輸攝像頭采集的視頻實現視頻監控的作用，Ser2net軟件實現網絡數據和串口數據互相轉換。3G路由器在無遮擋的情況下有效傳輸距離為150m，能夠滿足近距離的數據傳輸，如需增大傳輸距離需增加外置大功率天線[2]。

系統通過STM32F103C8T6微控制器和傳感器監測大棚里面的影響作物生長的環境因素：環境溫濕度、光照、CO2濃度、土壤濕度，微控制器通過串口將這些環境信息通過3G路由器發送出去。刷了OpenWrt系統的3G路由器支持UVC格式的USB攝像頭，3G路由器將USB攝像頭采集到的視頻發送出去。電腦終端裝有大功率的無線路由器，同時電腦終端裝有上位機軟件來實時地顯示3G路由器發送過來的視頻和環境信息[3]。

3?? 系統硬件設計（Hardware design）

3.1?? 微控制器最小系統的設計

STM32F103C8T6是意法半導體推出STM32增強型系列微控制器，STM32是Cortex-M3內核32位ARM，STM32具有高速度、高性能、低功耗、低成本等優點。STM32內部集成了ADC、I2C、SPI等外設資源，現在占據工業控制領域很大的市場。

3.2?? 傳感器電路設計

溫濕度傳感器采用AM2301，AM2301工作電壓是3.3—5.5V，供電采用3.3V，AM2301的DATA引腳用于STM32F103C8T6微控制器與AW2301之間的通訊和同步；光照傳感器采用TSL2561，TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數字轉換芯片。TSL2561工作電壓是2.7—3.5V，供電采用3.3V，TSL2561具有I2C和SMBus接口，本設計使用I2C接口，TSL2561的I2C接口接到微控制器的I2C_1接口；土壤濕度傳感器采用MP-508B土壤濕度傳感器，土壤濕度傳感器的工作電壓是7—15V，供電采用12V，土壤濕度傳感器的測量范圍是0%—100%，信號輸出是0—1V，信號輸出接微控制器的ADC_IN1引腳。CO2濃度傳感器采用CDT-500系列農業防護型CO2變送器，CO2變送器的工作電壓是12—24V，供電采用12V，CO2變送器的測量范圍是0—5000ppm，信號輸出是4—20mA的模擬量輸出，信號輸出經過I/U轉換送給微控制器的ADC_IN2引腳。

4? 下位機的軟件設計（The microcontroller software

design）

為了降低系統整體功耗和優化微控制器程序，微控制器通過定時器定時20分鐘采集環境溫濕度、光照、土壤濕度、CO2濃度等數據并通過微控制器串口發送給3G路由器的串口，20分鐘發送一次環境信息數據完全可以滿足農業大棚環境信息數據實時更新的要求。

4.1?? AM2301軟件設計原理

微處理器與AM2301之間采用單總線數據格式通信，一次通訊時間5ms左右，具體格式在下面說明，一次數據傳輸為40位，高位先出。

數據格式：40bit數據=16bit濕度數據+16bit溫度數據+8bit校驗和微控制器發送一次開始信號后， AM2301從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后， AM2301發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集。

4.2?? TSL2561軟件設計原理

TSL2561其內部連接一個光敏二極管（通道0）和一個紅外響應光敏二極管（通道1）。TSL2561內部集成兩個積分式A/D轉換器，可將光敏電流轉換成一個數字量，并存入TSL2561芯片內部通道0和通道1各自的寄存器中。微控制器則通過I2C總線協議對其內部的寄存器的讀寫來實現對TSL2561的控制。數字量表示測量每一個通道的光強，可以是微處理器的輸入。當積分式A/D轉換器轉換完成后，能夠從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應的值CH0和CH1，但是要以Lux（流明）為單位，還要根據CH0和CH1進行計算。endprint

4.3?? STM32的ADC軟件設計原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設計ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時鐘和ADC時鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復位ADC，配置ADC時鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設計原理和串口通信協議

串口是微控制器的一個重要資源，串口能夠實現多個微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時鐘。（2）GPIO端口模式設置：PA9配置成復用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復位USART1，初始化USART1參數。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數。

為了優化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發送的環境信息數據按照協議組成一幀數據。協議的起始標志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進制數表示，高位在前。土壤濕度和環境溫濕度分別用16位二進制數表示，高位在前，高8位表示整數，低八位表示小數。最后8位表示校驗位，系統采用CRC8校驗。

5?? 系統測試（System test）

為了驗證系統能夠正常工作，通過上位機調試軟件接受WIFI發過來的環境信息。如圖5所示，這說明下位機可以正常工作。

圖2 上位機軟件接受環境信息數據截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結論（Conclusion）

本系統不僅能無線傳輸作物生長的必要環境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統利于用戶科學地管理大棚。基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統不僅減少了人力物力的浪費而且提高了農作物的經濟效益。

參考文獻（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯網小車的

設計[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺無線視頻監控小

車的設計[J].電子測量技術，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實驗師.研究領域：嵌入式應

用設計.

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領域：硬件電路

設計.endprint

4.3?? STM32的ADC軟件設計原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設計ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時鐘和ADC時鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復位ADC，配置ADC時鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設計原理和串口通信協議

串口是微控制器的一個重要資源，串口能夠實現多個微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時鐘。（2）GPIO端口模式設置：PA9配置成復用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復位USART1，初始化USART1參數。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數。

為了優化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發送的環境信息數據按照協議組成一幀數據。協議的起始標志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進制數表示，高位在前。土壤濕度和環境溫濕度分別用16位二進制數表示，高位在前，高8位表示整數，低八位表示小數。最后8位表示校驗位，系統采用CRC8校驗。

5?? 系統測試（System test）

為了驗證系統能夠正常工作，通過上位機調試軟件接受WIFI發過來的環境信息。如圖5所示，這說明下位機可以正常工作。

圖2 上位機軟件接受環境信息數據截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結論（Conclusion）

本系統不僅能無線傳輸作物生長的必要環境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統利于用戶科學地管理大棚。基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統不僅減少了人力物力的浪費而且提高了農作物的經濟效益。

參考文獻（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯網小車的

設計[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺無線視頻監控小

車的設計[J].電子測量技術，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實驗師.研究領域：嵌入式應

用設計.

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領域：硬件電路

設計.endprint

4.3?? STM32的ADC軟件設計原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設計ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時鐘和ADC時鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復位ADC，配置ADC時鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設計原理和串口通信協議

串口是微控制器的一個重要資源，串口能夠實現多個微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時鐘。（2）GPIO端口模式設置：PA9配置成復用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復位USART1，初始化USART1參數。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數。

為了優化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發送的環境信息數據按照協議組成一幀數據。協議的起始標志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進制數表示，高位在前。土壤濕度和環境溫濕度分別用16位二進制數表示，高位在前，高8位表示整數，低八位表示小數。最后8位表示校驗位，系統采用CRC8校驗。

5?? 系統測試（System test）

為了驗證系統能夠正常工作，通過上位機調試軟件接受WIFI發過來的環境信息。如圖5所示，這說明下位機可以正常工作。

圖2 上位機軟件接受環境信息數據截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結論（Conclusion）

本系統不僅能無線傳輸作物生長的必要環境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統利于用戶科學地管理大棚。基于WIFI技術的農業大棚環境實時監測系統不僅減少了人力物力的浪費而且提高了農作物的經濟效益。

參考文獻（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯網小車的

設計[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺無線視頻監控小

車的設計[J].電子測量技術，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實驗師.研究領域：嵌入式應

用設計.

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領域：硬件電路

設計.endprint