基于STM32F103ZET6的溫室大棚多點(diǎn)光照采集系統(tǒng)

嚴(yán)凱 姚凱學(xué) 韋付芝 何勇 楊玥倩 陳春旭

摘要：當(dāng)今世界精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)技術(shù)更加智能化。用現(xiàn)代科技來改變溫室大棚農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量成為一種趨勢(shì)。光照是農(nóng)作物生成養(yǎng)分的必要條件和關(guān)鍵因素，因此本文設(shè)計(jì)了一種溫室大棚內(nèi)多點(diǎn)光照自動(dòng)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，以STC15W404AS和BH1750為光照數(shù)據(jù)采集模塊，用RS-485驅(qū)動(dòng)器和接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過自定義的通信協(xié)議將光照傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程PC端和手機(jī)端有機(jī)地結(jié)合在一起，系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用。

關(guān)鍵詞：溫室大棚;STM32F103ZET6; STC15W404AS;RS485;通信協(xié)議;中位值平均濾波法

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

光照是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵資源之一，影響著植物的生理生化和形態(tài)結(jié)構(gòu)。比如不同光照強(qiáng)度影響著興安落葉松針葉內(nèi)的POD、SOD、PAL、PPO和CI等防御蛋白的活力[1];不同光照強(qiáng)度影響著花櫚木葉片面積、苗高、地徑生長(zhǎng)、生物量和根冠比[2];不同光照強(qiáng)度和光質(zhì)影響著水稻的生長(zhǎng)周期、成熟時(shí)間和產(chǎn)量[3-4]。為此，本文建立了安全可靠的溫室大棚多點(diǎn)光照采集系統(tǒng)，前端數(shù)據(jù)采集站采集溫室大棚內(nèi)多點(diǎn)（種植不同的植物）的光照，通過GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，供農(nóng)戶參考，由于整個(gè)系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電源進(jìn)行供電，因此可以支持比較偏僻的溫室大棚基地。當(dāng)溫室大棚某片區(qū)域光照低于所種植作物最適宜光照的時(shí)候，我們可以進(jìn)行人工補(bǔ)光（多補(bǔ)光燈組合）;反之，則進(jìn)行遮陰（遮陰網(wǎng)）。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（如圖l所示）主要由三部分組成：以STM32F103ZET6為核心的數(shù)據(jù)處理模塊、集成了STC15W404AS和BH1750的光照傳感器采集模塊、遠(yuǎn)程PC端和手機(jī)端。

系統(tǒng)工作流程：光照傳感器采集模塊將采集來的多個(gè)光照數(shù)據(jù)封裝成一幀通過RS485總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊，STM32F103ZET6對(duì)這些幀進(jìn)行解析，按照幀的控制域代碼不同等特征，解析出該幀的正誤、數(shù)據(jù)域及其功能，并將數(shù)據(jù)重新封裝成幀通過GPRS（串口1）和藍(lán)牙（串口2）分別發(fā)送到PC端和手機(jī)端，進(jìn)行可視化顯示和后臺(tái)數(shù)據(jù)分析。

3 溫室大棚硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括兩部分：光照傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)。

3.1 光照傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)

STC15W404AS基于8051內(nèi)核，有一組高速異步串行通信端口（UARD，可以在三組管腳之間切換，相當(dāng)于三組串行通信接口[5]。光照傳感器模塊使用單片機(jī)的串口3 （IIC總線）接收BH1750采集的光強(qiáng)度初始值，串口l用作下載和仿真，串口2通過RS485總線將封裝好的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊。由于一個(gè)溫室大棚的面積比較大（600平方米），所以整個(gè)溫室大棚采用通訊接口RS485，它允許在一對(duì)雙絞線上進(jìn)行雙向、多點(diǎn)通信，具有寬共模電壓、高傳輸速率、較長(zhǎng)傳輸距離、低噪聲耦合等特點(diǎn)[6]。系統(tǒng)采用RS485作為收發(fā)器，以MAX485CSA芯片的A、B引腳作為485總線接口，和DE引腳控制RS485的收發(fā)使能。光照傳感器模塊的電路原理圖、硬件電路結(jié)構(gòu)框圖和光照傳感器模塊實(shí)體如圖2、3、4所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊采用基于Corex -M3內(nèi)核的STM32F103ZET6 MCU，它的最高工作頻率為72MHZ，SRAM可達(dá)64KB，有5個(gè)串口、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)I2C、3個(gè)ADC （12位）、3個(gè)SPI、2個(gè)DMA控制器等資源[7-9]。

數(shù)據(jù)處理模塊作為溫室大棚的核心，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚多點(diǎn)光照傳感器節(jié)點(diǎn)與PC端和移動(dòng)端的通信。STM32F103ZET6通過串口1（引腳PA9和PA10）與GPRS連接，通過串口2（引腳PA2和PA3）與藍(lán)牙連接，通過SPI接口與wifi模塊連接[10]，（引腳PD2和PC12）經(jīng)過MAX485芯片進(jìn)而控制各點(diǎn)光照數(shù)據(jù)的收發(fā)，直接通過相應(yīng)引腳的電平的調(diào)節(jié)控制I2C傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)[11]。其模塊的電路原理圖、硬件電路結(jié)構(gòu)框圖和模塊實(shí)體（由于光照節(jié)點(diǎn)分散在大棚各個(gè)地方，考慮到圖片大小的限制和拍攝方便，特將整個(gè)下位機(jī)集中在一起進(jìn)行拍攝）如圖5、6、7所示。

具體工作流程：光照轉(zhuǎn)接板連接的各地光照傳感器模塊采集溫室大棚的光照反饋給STM32F103ZET6 MCU，MCU經(jīng)過分析處理后通過自定義的通信協(xié)議將多個(gè)光照數(shù)據(jù)組裝成一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可由GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（PC端），PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、可視化顯示和預(yù)警報(bào)警（界面彈框的形式）;也可以由藍(lán)牙傳輸?shù)揭苿?dòng)端（手機(jī)端），提供數(shù)據(jù)給工作人員進(jìn)行參考補(bǔ)光、遮陰和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

4 溫室大棚軟件設(shè)計(jì)

溫室大棚軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：上位機(jī)設(shè)計(jì)、下位機(jī)設(shè)計(jì)。下位機(jī)設(shè)計(jì)包括光照傳感器模塊通信程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理模塊通信程序設(shè)計(jì);上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以向下位機(jī)發(fā)送命令（休眠命令、喚醒命令、配制光照傳感器命令、數(shù)據(jù)讀取命令、校時(shí)命令等），實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1.1 光照傳感器模塊通信程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)（非休眠狀態(tài)），光照傳感器模塊上電，進(jìn)行初始化，響應(yīng)數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送來的的命令幀，有五種命令，分別為讀取和寫入光照傳感器地址、讀取和寫入光照傳感器修正值、讀取光照傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

數(shù)據(jù)處理模塊作為主設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)送命令，光照傳感器模塊作為從設(shè)備，負(fù)責(zé)執(zhí)行命令并向數(shù)據(jù)處理模塊返回應(yīng)答幀。通信協(xié)議舉例如下：?讀取光照傳感器地址（1—255）

接收：00 20 CRCH CRCL（4字節(jié)）

發(fā)送：00 20 ADDRESS CRCL CRCH（5字節(jié)）?寫入光照傳感器地址

接收：00 10 ADDRESS CRCH CRCL（5字節(jié)）

發(fā)送：00 10 CRCL CRCH（4字節(jié)）?讀取光照傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

接收：ADDRESS 03 00 00 00 01 CRCH CRCL（8字節(jié)）

發(fā)送：ADDRESS 03 04 XX XX XX XX CRCLCRCH（9字節(jié)）?寫入光照傳感器修正值（a、b）

接收：ADDRESS 30 YY YY ZZ ZZ ZZ ZZCRCH CRCL （10字節(jié)）

發(fā)送：ADDRESS 30 CRCL CRCH（4字節(jié)）?讀取光照傳感器修正值（a、b）

接收：ADDRESS 40 CRCH CRCL（4字節(jié)）

發(fā)送：ADDRESS 40 YY YY ZZ ZZ ZZ ZZ CR-CL CRCH（10字節(jié)）

其中，“CRCL、CRCH”分別為校驗(yàn)碼CRC的低八位和高八位，CRC校驗(yàn)碼由代碼自動(dòng)生成。“AD-DRESS”為寫入溫室大棚各地方光照傳感器模塊的EEPROM里的光照傳感器的地址（1—225）。“XXXX XX XX”為光照值（單位為lux，貴陽(yáng)地區(qū)晴天正午光照值為幾十萬lux）。“YY YY”為修正值a，值為實(shí)際值的一百倍。“ZZ ZZ ZZ ZZ”為修正值b，值為實(shí)際值

4.1.2 數(shù)據(jù)處理模塊通信程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊是溫室大棚多點(diǎn)光照采集系統(tǒng)的核心，上電后進(jìn)行相關(guān)初始化，讀取EEPROM存儲(chǔ)的參數(shù)數(shù)據(jù)，接著等待上位機(jī)（PC端或手機(jī)端）的命令，MCU分時(shí)采集光照傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)采集時(shí)間達(dá)到2分鐘且采集次數(shù)為12次（非休眠）時(shí)，MCU將執(zhí)行中位值平均濾波法，按大小排序好第i（某個(gè)溫室大棚第i個(gè)光照傳感器模塊）個(gè)光照傳感器模塊的12個(gè)數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算余下10個(gè)數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。最后將光照傳感器、電量等數(shù)據(jù)封裝成幀，經(jīng)串口1，由GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（PC端）。設(shè)計(jì)流程圖如圖9。

數(shù)據(jù)部分模型為：

數(shù)據(jù)部分=1號(hào)光照地址+1號(hào)數(shù)值（最小值，最大值，均值，總量值）+2號(hào)光照地址+2號(hào)數(shù)值（最小值，最大值，均值，總量值）+……+n號(hào)光照地址+n號(hào)數(shù)值（最小值，最大值，均值，總量值）+電池剩余電量百分比（1個(gè)字節(jié)）+時(shí)間（年月日時(shí)分秒）+持續(xù)時(shí)間（分鐘，1個(gè)字節(jié)）

如果在兩分鐘之內(nèi)等到上位機(jī)的命令（十幾種且可自定義的命令），數(shù)據(jù)處理模塊將作出相應(yīng)的處理。

上位機(jī)作為主設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)送命令，數(shù)據(jù)處理模塊作為從設(shè)備，負(fù)責(zé)執(zhí)行命令并向上位機(jī)返回應(yīng)答幀。數(shù)據(jù)幀是由幀起始符（1字節(jié)）、地址域（2字節(jié)）、控制域（2字節(jié)）、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度域（2字節(jié)）、數(shù)據(jù)域（若干字節(jié)）、幀校驗(yàn)域（2字節(jié)）、幀尾組成。其中控制域中的功能碼如表1所示。

其中，有些功能有發(fā)送碼和接受碼（前一行為發(fā)送碼，后一行為接受碼）。“幀起始符”標(biāo)識(shí)一幀信息的開始，1個(gè)字節(jié)，其值固定為E8H=lllOlOOOB。“幀結(jié)束符”標(biāo)識(shí)一幀信息的結(jié)束，1個(gè)字節(jié)，其值固定為E6H=lllOOlOOB。傳感器數(shù)值說明：共有4個(gè)數(shù)值，每個(gè)數(shù)值為整型數(shù)（32位，有正負(fù)），如果光照傳感器錯(cuò)誤，傳來的數(shù)據(jù)是7F FF FF FF，但是也是小端模式，順序是FF FF FF 7F。此數(shù)值除以100即為光照傳感器實(shí)際數(shù)值，電量不用除以100（01：最小值;02：最大值;03：均值;04：總量值）。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)所用編程語(yǔ)言為C#，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL？Server？2013？。數(shù)據(jù)采集站將溫室大棚光照數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到上位機(jī)（PC端），PC端數(shù)據(jù)分析軟件提取數(shù)據(jù)庫(kù)中自定義的光照參數(shù)（根據(jù)植物設(shè)置每片區(qū)域光照適宜值區(qū)間），將其與接收的數(shù)據(jù)對(duì)比，如果大棚某片區(qū)域光照值長(zhǎng)時(shí)間低于適宜光照值最小值，則彈出彈框提醒工作人員進(jìn)行補(bǔ)光;若長(zhǎng)時(shí)間高于光照值最大值，則彈出彈框提醒工作人員進(jìn)行遮陰;并將采集的光照數(shù)據(jù)以數(shù)字和折線圖的方式顯示，供大棚工作人員分析對(duì)比數(shù)據(jù);同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖10為上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件的界面（光照數(shù)據(jù)采集的時(shí)間地點(diǎn)為2017年7月12日貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物研究實(shí)驗(yàn)基地）。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了溫室大棚多點(diǎn)光照采集系統(tǒng)，采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，通過自定義的通信協(xié)議將光照傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、遠(yuǎn)程PC端和手機(jī)端有機(jī)地結(jié)合在一起。系統(tǒng)穩(wěn)定性高、擴(kuò)充能力強(qiáng)、成本低。通過該系統(tǒng)，工作人員可以在數(shù)據(jù)處理中心對(duì)各溫室大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用，在貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物研究實(shí)驗(yàn)基地、清鎮(zhèn)市蔬菜園等地正常運(yùn)行一年多。

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