基于STM32的分布式農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
——終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

單興巧

（江蘇省如皋第一中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南通 226511）

0 引言

本文以STM32嵌入式芯片為核心設(shè)計(jì)了終端節(jié)點(diǎn)和集中器硬件電路，終端節(jié)點(diǎn)電路主要包括STM32F103最小系統(tǒng)、傳感器電路、電源電路、繼電器執(zhí)行電路、RS-485通信電路，來設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。并且通過設(shè)計(jì)來對(duì)大棚環(huán)境分布式精準(zhǔn)控制，以此來為智慧農(nóng)業(yè)提供參考。

1 STM32F103C終端節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目共4個(gè)大棚，每個(gè)大棚分別用1、2、3、4進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)大棚分4個(gè)區(qū)域，用1、2、3、4分別進(jìn)行編碼，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，共需16個(gè)STM32F103C終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)分布式采集傳感信息和驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)加熱器、遮陽(yáng)板、噴淋器、排風(fēng)扇設(shè)備進(jìn)行控制，主要由STM32F103C主控芯片、空氣溫濕度傳感器、CO2含量傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、RS-485電路、繼電器控制電路組成。其系統(tǒng)總框圖如圖1所示。分布式終端節(jié)點(diǎn)采集空氣溫度、空氣濕度、光照度、CO2含量和土壤濕度數(shù)據(jù)，通過RS-485發(fā)送給STM32F407Z集中器，通過與上位機(jī)中LabVIEW應(yīng)用程序設(shè)置的閾值對(duì)比控制加熱器、遮陽(yáng)板、排風(fēng)扇、噴淋閥的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總框圖

2 分布式大棚監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)電源電路

終端節(jié)點(diǎn)電源電路，詳見圖2。其整個(gè)電路由12V直流電源供電，通過L7805CD2線性穩(wěn)壓器，得到5V直流電壓，L7805CD2輸入端選用一個(gè)電解電容220μF和無極性電容0.1μF并聯(lián)，主要起濾波平滑作用，輸出端接1uF無極性電容，避免上電時(shí)7805經(jīng)受過大的（充電）電流，通過AMS1117穩(wěn)壓器得到3.3V直流電壓，AMS1117穩(wěn)壓器輸入端連接0.1μF，濾除頻率較高的信號(hào)，輸出端并聯(lián)多個(gè)0.1μF電容，主要是為了降低電容的電感,使濾波效果更好些。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)電源電路圖

2.2 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器選用瑞士SENSIRION盛思銳SHT10，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，它采用SMD封裝，其尺寸為7.47×4.93×2.5mm。該傳感器由電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、能隙材料制成的測(cè)溫元件、14位的A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口電路組成，該傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合用在農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度傳感器。

2.3 光照度傳感器電路

光照度傳感器選用BH1750FVI，該傳感器在兩線式串行總線接口的時(shí)候使用，是數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，支持I2C BUS接口，具有高分辨率，接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，光源依賴性弱，可以測(cè)量較大范圍的光強(qiáng)度變化（1lx-65535lx）,輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值，無需其他外部件。光照度傳感器電路IOSDA腳與終端節(jié)點(diǎn)STM32F103C PA4相連，光照度傳感器電路IOSCL腳與終端節(jié)點(diǎn)STM32F103C PA5相連，將光照度傳感器度采集到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)[1]。

2.4 二氧化碳傳感器電路圖

二氧化碳?xì)怏w傳感器型號(hào)MH-Z19B，由鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)，一個(gè)通用智能小型傳感器，具有高靈敏度、低功耗，選擇性好、對(duì)氧氣沒有依賴性、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性優(yōu)等特點(diǎn)；內(nèi)置溫度補(bǔ)償；同時(shí)具有串口輸出、模擬輸出及PWM輸出，方便使用。它是利用非色散紅外（NDIR）原理對(duì)空氣中存在的CO2進(jìn)行探測(cè)，該傳感器是將成熟的紅外吸收氣體檢測(cè)技術(shù)與精密光路設(shè)計(jì)、精良電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合而制作出的高性能傳感器。終端節(jié)點(diǎn)TX2、RX2接二氧化碳的UART(RXT) 和UART(TXT)。二氧化碳傳感器電路Tx腳與終端節(jié)點(diǎn)STM32F103C PA2相連，二氧化碳傳感器電路Rx腳與終端節(jié)點(diǎn)STM32F103C PA3相連，將二氧化碳傳感器度采集到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)[2]。

2.5 電容式土壤濕度傳感器

電容式土壤濕度傳感器區(qū)別于現(xiàn)在很多的電阻式傳感器，采用電容感應(yīng)原理來檢測(cè)土壤濕度。徹底解決了電阻式傳感器容易受到腐蝕，解決了工作壽命不長(zhǎng)的問題。

電容式土壤濕度傳感器內(nèi)部有一個(gè)穩(wěn)壓芯片，可以在3.3寬電壓下工作，尺寸是98×23mm(LxW)，接口為PH2.54-3P，它是微型的樹莓派微型PC,外接一個(gè)ADS1118模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS1118是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCSPI通信模塊，它是德州儀器(TI)生產(chǎn)的，是最小型16位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，尺寸僅為2毫米×1.5毫米，該轉(zhuǎn)換器由可編程增益放大器(PGA)、參考電壓、溫度傳感器和4口輸入多路復(fù)用器組成，功耗很低，支持內(nèi)置內(nèi)部參考，數(shù)據(jù)采樣速率為860次/秒。ADS1118可以實(shí)現(xiàn)直接線性化測(cè)量，最小可達(dá)0.5攝氏度。土壤濕度傳感器電路與STM32F103C的PB12、PB13、PB14、PB15引腳連接。

2.6 SP3485電路

SP3485是+3.3V低功耗半雙工收發(fā)器，滿足RS-485和RS-422串行協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)10Mbps(帶負(fù)數(shù))，有故障自動(dòng)保護(hù)特性，該特性可以使得輸出在輸入懸空時(shí)為高電平狀態(tài)。SP3485性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SP3485 性能指標(biāo)

當(dāng)單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，RDE設(shè)為高電平，數(shù)據(jù)通過TXD3發(fā)送出去；當(dāng)單片機(jī)需要接收數(shù)據(jù)的時(shí)候，RDE設(shè)為低電平，數(shù)據(jù)通過RXD3接收回來。上拉電阻R54和下拉電阻R55是阻值為680歐姆，用于SP485芯片無連接時(shí)處于空閑狀態(tài)，提供網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)，提高SP3485網(wǎng)絡(luò)的可靠性。SM712為SP3485端口保護(hù)芯片，使其免受靜電放電、電氣快速瞬變和雷電引起的浪涌電流帶來的損壞。

2.7 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

終端節(jié)點(diǎn)除了具有采集傳感器信息的功能，還有一個(gè)重要功能是控制加熱器、噴淋頭、遮陽(yáng)板、排風(fēng)扇的打開閉合，該部分電路主要是通過控制四個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)的[3]。

輸出控制電路的原理為當(dāng)OUT1為高電平時(shí)，光電耦合器的輸入端發(fā)光二極管截止，光電耦合器的輸出端光敏三極管截止，三極管Q1基極得到一個(gè)高電平，三極管Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器得電，開關(guān)K1常開觸頭閉合，P11中23形成回路，控制器件開始工作。當(dāng)OUT1為低電平時(shí)，光電耦合器的輸入端發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電耦合器的輸出端光敏三極管導(dǎo)通，三極管Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器失電，開關(guān)K1常閉觸頭閉合，開關(guān)K1常開觸頭斷開，控制器件停止工作。

四個(gè)繼電器分別控制加熱器、噴灌機(jī)、遮陽(yáng)板和排風(fēng)扇的工作狀態(tài)。選用帶有風(fēng)機(jī)的加熱器，目的是不讓過多的熱量在局部區(qū)域積累，同時(shí)加熱器功率不易過大，采用1KW的額定功率加熱，單相電壓為220V,額定電流為4.55A。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分別與STM32F103C的PB5、PB4、PB3和PA15相連。

2.8 終端節(jié)點(diǎn)總電路

運(yùn)用Altium Designer Summer09繪制終端節(jié)點(diǎn)總電路原理圖，經(jīng)過電氣規(guī)則檢查后，生成網(wǎng)絡(luò)表，在PCB文件里加入網(wǎng)絡(luò)表，調(diào)整元件布局后進(jìn)行布線規(guī)則設(shè)置，生成雙面PCB板，除了土壤濕度傳感器要插入土壤，其他傳感器均布局在終端節(jié)點(diǎn)PCB板上，加工好的PCB板。連接好的終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖，見圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)促使著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字化農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，于此同時(shí)，給農(nóng)業(yè)也帶來了挑戰(zhàn)。對(duì)于職業(yè)院校來說，向社會(huì)輸送智慧型農(nóng)業(yè)的應(yīng)用人才成為了其目前的教學(xué)目標(biāo)。本文基于此，以大鵬基地為例，來對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化的改造，以此來進(jìn)行實(shí)踐，幫助大鵬進(jìn)行分布式精準(zhǔn)管理。本文以STM32嵌入式芯片為核心，從傳感器、電源、繼電器、通信電路、終端節(jié)點(diǎn)等各個(gè)方面進(jìn)行了數(shù)字化的建議，不僅優(yōu)化了大鵬監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，為智慧能力提供參考，同事也滿足了職業(yè)院校學(xué)生的實(shí)踐需求。