基于STM32智能植物培育環境檢測系統的設計*

馮新剛，王浩能，陳林敏，胡敏星，譚盧敏

（贛南科技學院，江西 贛州 341000）

當前，科技高速發展，數字智能化普及。傳統的植物培育方式主要還是依賴于人工作業，極易導致由于培育人員的經驗不足或人為疏忽造成植物培育不當，常常出現植物枯萎、衰敗、甚至凋亡。如何利用科技手段提高植物培育質量的研究應運而生，運用嵌入式技術，結合多種傳感器獲取植物培育環境的溫度、濕度、光照等數據，對植物的生長環境全天候檢測，保證植物的生長狀態，實現對植物的全自動培育。

1 系統設計

通過溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器采集環境參數，由STM32控制器自帶的12位高精度A/D轉換器進行轉換得到參數的數字量，再經軟件算法處理得到較為準確的參數值，通過ZigBee無線通信傳輸給控制中心。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 溫度檢測電路設計

溫度檢測選用鉑熱電阻PT100，型號為HEL-776，這種溫度傳感器的測溫范圍在-55℃～+155℃之間，滿足測溫要求，同時線性阻值與溫度成正比，性能穩定[1-4]。PT100鉑熱電阻的阻值與溫度之間的關系為：

式中：RPT為環境溫度T下鉑熱電阻的阻值；R0為0℃時鉑熱電阻的阻值；A=3.9083×10-3；B=-5.775×10-7；C=-4.183×10-12。根據該公式計算出0℃～100℃對應的電阻值如表1所示。

表1 鉑熱電阻PT100阻值與溫度對照表

溫度檢測電路采用恒壓型測溫電路，如圖2所示，RT1是HEL-776鉑熱電阻，RV1為電橋零點調整，RV2為放大倍數調整。

圖2 鉑熱電阻測溫原理圖

該電路輸出電壓Vout為：

式中，ΔR為鉑熱電阻RT1的變化量；Vin為+12V。

根據環境溫度要求，設定檢測溫度范圍在0℃～100℃之間，調整RV1和RV2，輸出電壓在0～5V之間。

根據圖2所示電路進行溫度檢測并記錄實驗數據，實驗數據如表2所示。

表2 溫度檢測實驗數據記錄表

STM32F103自帶12位模數轉換器進行采集，其參考電壓為+3.3V，模擬電壓輸入范圍0～+3.3V，傳感器檢測的輸出電壓需要外部加一個電壓調理電路，使其模擬電壓符合其A/D轉換器的電壓輸入范圍[5-7]。系統采用兩個10K高精度電阻串聯分壓，使得傳感器檢測的輸出電壓降為0～+2.5V，精度可以達到0.06℃，滿足設計精度要求。

3 濕度檢測電路設計

濕度檢測選用HM1500濕度傳感器，該傳感器適用于10%～95%RH環境的精確測量，5VDC供電時，0～100%RH典型輸出1～4VDC，可以直接送入A/D轉換器進行轉換[8-9]。根據該傳感器轉換原理，輸出電壓Uo和相對濕度RH之間的對應關系表達式為：

在環境溫度23℃時，其對應關系見表3所示。

表3 相對濕度與輸出電壓關系表（23℃）

濕度傳感器在轉換過程中會受到環境溫度的影響，因此根據表達式（3）計算得到的相對濕度RH還需要經過溫度補償后才能得到較為準確的值，系統采用軟件溫度補償，溫度補償公式為：

公式中：RHcompensated-溫度補償后的相對濕度；RHTa-在環境溫度Ta下傳感器根據表達式（3）轉換得到的相對濕度；Ta-環境溫度，可以由溫度檢測模塊提供。

濕度傳感器的輸出電壓采用相同的電壓調理電路進行降壓后，由STM32F103控制器自帶的模數轉換器進行采集，精度可達0.16%RH，根據表達式（4）進行軟件溫度補償后得到不同溫度下相對濕度的實驗數據如表4所示。

表4 不同環境溫度下溫度補償后的相對濕度數據

4 光照檢測電路設計

系統選擇硅光電池ZL-G003作為光照檢測傳感器，硅光電池光譜范圍較寬，頻率特性好，換能效率高且性能穩定[10]。該照度檢測設定檢測范圍0～500lx，通過實驗數據，硅光電池光照特性如圖3所示。

圖3 硅光電池光照電流電壓特性圖

由圖可以看出其開路電壓與光照度之間是非線性關系，其短路電流與光照度之間具有線性關系，檢測光照度易于采用其短路電流，光照檢測電路如圖4所示。

圖4 光照檢測電路

電路主要由兩部分組成，第一部分，實現硅光電池采集光照度，并通過運算放大器A1把短路電流轉換為電壓形式輸出，調節RP1的大小，使輸出電壓為1mV/lx，再通過A2組成的電壓跟隨器，以及R2、C組成的低通濾波器，轉換電壓的輸出電壓為平均照度的電壓信號。第二部分，通過A2組成的放大電路，調節RP2的大小，把0～500mV的輸出電壓放大到0～5V。根據圖4電路進行實驗并記錄實驗數據如表5所示。

表5 光照度與輸出電壓關系表

傳感器的輸出電壓采用相同的電壓調理電路進行降壓后，由STM32F103控制器自帶的模數轉換器進行采集，精度可以達到0.32lx，滿足設計精度要求。

5 ZigBee通信設計

ZigBee協調器節點、路由器節點及終端節點自組織形成網絡系統，節點之間無線通信，終端節點將采集的數據經路由節點傳給協調器節點，協調器節點匯總數據后傳輸給控制中心[11-12]，如圖5所示。

圖5 ZigBee無線數據傳輸流程框圖

6 軟件設計

系統軟件設計采用ST公司針對STM32微控制器提供的STM32F10x標準外設庫函數，用C語言進行開發[13]。系統上電后進行初始化，啟動內部A/D轉換器采集溫度、濕度、光照度參數值，采樣周次為5s，經過算法計算得到對應數字值，在顯示器上進行顯示，并且通過ZigBee把數據實時地傳送給其他設備。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

7 系統測試

系統設計了顯示功能和無線通信功能，采用LCD顯示屏，對檢測到的植物培育環境參數進行顯示，通過ZigBee無線通信技術將植物培育環境參數傳送給控制中心，實現植物培育的智能化。系統檢測數據顯示如圖7所示。

圖7 系統測試數據圖

8 結束語

為了解決傳統的植物培育方式的弊端，引入嵌入式技術，融合多種傳感器獲取植物培育環境的溫度、濕度、光照等數據，并通過ZigBee技術和其他設備實現無線通信，為植物培育提供了可靠的環境參數，具有較好的應用推廣前景。