基于STM32的大棚種植環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)*

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能化、信息化需求的增加，近年來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用不斷發(fā)展。解決方案越來越多，集成度較高，終端節(jié)點(diǎn)功耗高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接口不統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開發(fā)難度大，成本高，不易于維護(hù)，效率低，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不能共享等缺點(diǎn)。針對(duì)上述的問題，設(shè)計(jì)一種以STM32F103R6微控制器為核心，結(jié)合溫濕度傳感器對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行溫度和濕度的監(jiān)測(cè)，恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)來調(diào)節(jié)溫濕度，通過ESP8266接入OneNET開放云平臺(tái)，WEB端或終端設(shè)備能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制大棚的溫濕度。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

基于OneNET的大棚溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：STM32F103R6主控制器、恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、TP-Link路由器、ESP8266無線WiFi模塊、中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，WEB終端設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

STM32F103R6通過DHT11采集大棚的溫濕度，BH1750采集光照強(qiáng)度，ESP8266通過TP-Link接入互聯(lián)網(wǎng)和OneNET云平臺(tái)，在WEB終端能夠顯示大棚的溫濕度、光照強(qiáng)度及控制參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)達(dá)到控制閾值，能夠通過設(shè)備終端或WEB端進(jìn)行命令下發(fā)，控制恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)的工作來調(diào)節(jié)溫濕度。溫室內(nèi)溫度正常時(shí)，恒溫機(jī)與空氣循環(huán)器不工作。室內(nèi)溫度異常，室外溫度正常時(shí)，空氣循環(huán)器工作。室內(nèi)溫度異常，室外溫度異常時(shí)，恒溫機(jī)工作。光照傳感器通過監(jiān)測(cè)光照的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)大棚遮光和光照的需求，達(dá)到對(duì)濕度的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

接入設(shè)備由STM32F103R6單片機(jī)、光照傳感器、溫濕度傳感器和ESP8266模塊、空氣循環(huán)機(jī)、恒溫機(jī)組成。ESP8266模塊通過串口與STM32F103R6處理器連接，恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)通過繼電器連接到STM32F103R6處理器，溫濕度傳感器通過單總線與STM32F103R6處理器連接，光照傳感器由IIC總線與處理器進(jìn)行連接，設(shè)備連接框圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備連接框圖

2.1 STM32最小系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

STM32F103R6最小系統(tǒng)主要包括：復(fù)位電路、電源電路、晶振電路、調(diào)試電路。

電源電路：系統(tǒng)工作的電源主要包括5V的外圍驅(qū)動(dòng)電源和3.3V的主控芯片STM32的工作電源，恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)使用220V的交流電源。如圖3所示。

圖3 5V-3.3V電源電路

復(fù)位及晶振電路：STM32F103R6主芯片低電平復(fù)位。設(shè)計(jì)的電路中復(fù)位引腳正常情況為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)為低電平，系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率為72M，是由外部8M晶振經(jīng)PLL鎖相環(huán)升頻提供，系統(tǒng)其他外圍時(shí)鐘頻率經(jīng)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻。系統(tǒng)復(fù)位及晶振電路如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)復(fù)位電路

圖5 系統(tǒng)晶振電路

2.2 ESP8266無線WiFi電路

為使得數(shù)據(jù)的互聯(lián)，能遠(yuǎn)程查看和操作溫控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)以ESP8266無線WiFi器件為核心的數(shù)據(jù)傳輸模塊，連接中國(guó)移動(dòng)的OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)通過控制器串行口與ESP8266實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸及上傳，WEB終端通信顯示。工作電路如圖6所示。

圖6 ESP8266 WiFi通信電路

2.3 恒溫機(jī)及空氣循環(huán)機(jī)電路實(shí)現(xiàn)

大棚環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的兩個(gè)執(zhí)行器恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)，采用220V的交流電源工作，通過繼電器和STM32F103R6處理器進(jìn)行連接。硬件連接如圖7、圖8所示。

圖7 空氣循環(huán)機(jī)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

圖8 恒溫機(jī)繼電器驅(qū)動(dòng)電路

2.4 溫濕度傳感器及光照傳感器電路

溫濕度的采集采用DHT11單總線溫濕度傳感器，通過一條總線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信連接，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性，成本低、相對(duì)濕度和溫度測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng)、超快響應(yīng)、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)、超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離等特點(diǎn)。BH1750光照傳感器，一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化，可用于環(huán)境光照參數(shù)的采集。硬件原理圖如圖9、圖10所示。

圖9 光照傳感器電路

圖10 溫濕度傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的功能也越來越強(qiáng)大，編譯軟件代表性的有Keil、IAR、CodeWarrior等。代碼語言有匯編語言、C語言、JAVA語言等。C語言具有良好的邏輯性及功能性，本次設(shè)計(jì)選擇STM32F103R6作為主控制器，編程語言選用C語言，編譯軟件選用軟件Keil。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是由系統(tǒng)里有著不同功能的模塊整合在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)中包括環(huán)境參數(shù)的采集、恒溫機(jī)和空氣循環(huán)機(jī)的驅(qū)動(dòng)、WiFi模塊通信程序、開關(guān)控制。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖11 軟件框架圖

3.2 溫濕度采集程序

STM32處理器向DHT11發(fā)送溫濕度采集指令，傳感器在收到命令后執(zhí)行采集的工作，測(cè)量完成后通過單總線的方式發(fā)送給處理器，完成采集的工作。其時(shí)序圖如圖12所示。

圖12 DHT11時(shí)序圖

3.3 光照采集程序

光照傳感器BH1750采集大棚光照強(qiáng)度，通過IIC協(xié)議與處理器進(jìn)行通信，把光照的數(shù)據(jù)傳送給STM32進(jìn)行分析，通過ESP8266無線WiFi模塊連接OneNET云平臺(tái)，在設(shè)備終端顯示光照參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)掌握智慧大棚的光照條件，為大棚的濕度控制提供數(shù)據(jù)。

3.4 智能恒溫控制邏輯

智慧恒溫系統(tǒng)用于作物種植環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)，根據(jù)節(jié)能環(huán)保的原則，該系統(tǒng)分別測(cè)量室內(nèi)外溫度，并使用大功率溫室恒溫機(jī)和低功耗空氣循環(huán)器兩種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫管理，當(dāng)室內(nèi)溫度超過客戶指定的正常閾值時(shí)，系統(tǒng)需根據(jù)溫室外溫度自行決定啟動(dòng)恒溫設(shè)備，由此實(shí)現(xiàn)智能低功耗控制系統(tǒng)。智慧溫室內(nèi)部與外部的溫度、濕度數(shù)據(jù)，以及溫度調(diào)節(jié)設(shè)備是否啟動(dòng)，需在云端實(shí)時(shí)顯示。其控制邏輯如圖13所示。

圖13 智慧恒溫系統(tǒng)邏輯圖

4 結(jié)果測(cè)試分析

數(shù)據(jù)基于OneNET云平臺(tái)的應(yīng)用管理網(wǎng)頁提供的數(shù)據(jù)可視化，能夠提供WEB端來監(jiān)控智慧大棚的環(huán)境參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制功能，即可通過電腦或者移動(dòng)終端訪問中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，查看溫濕度數(shù)據(jù)的變化及溫濕度的控制。在系統(tǒng)上電后，把軟件下載到STM32F103R6的存儲(chǔ)器中，復(fù)位后程序開始運(yùn)行，登錄OneNET云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化進(jìn)行編輯，能夠在界面上顯示環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并能夠把控制命令下發(fā)到平臺(tái)，使恒溫機(jī)和低功耗空氣循環(huán)機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，從而實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)以STM32處理器為核心的終端硬件電路，分析了傳輸協(xié)議完成了軟件的編寫。測(cè)試結(jié)果表明，大棚環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、功耗小、監(jiān)測(cè)精度高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大棚溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。在該系統(tǒng)上增加傳感器便可以對(duì)更多的大棚環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以利用該平臺(tái)下發(fā)的命令對(duì)大棚的設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控。