基于STM32的果園環(huán)境監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)設計＊

唐 靖，宋志強

(1.南京信息工程大學濱江學院自動化學院，江蘇 無錫 214105；2.無錫學院自動化學院)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，科技的進步，生活中各個領域自動化程度越來越高。特別是在農業(yè)領域，自動化程度的提高更有利于解放勞動者雙手，提高生產率。例如通過終端管理更多資源，精確的農業(yè)系統(tǒng)可以有效保證農作物的生長質量。

本設計是基于STM32的果園信息遠程監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用STM32 系列芯片并通過DHT11 溫濕度傳感器、BH1750 光照傳感器、YL-69 土壤濕度傳感器對果園環(huán)境的溫度、光照強度和土壤濕度信息進行采集與處理，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶可通過電腦終端遠程實時查看果園信息。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

采用STM32 系列單片機，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過ESP8266WIFI 模塊將數(shù)據(jù)上發(fā)至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，用戶可從電腦終端或移動端查看實時數(shù)據(jù)，圖1為系統(tǒng)總體設計框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設計

1.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)采集模塊

此模塊是系統(tǒng)的各個傳感器模塊，其功能是用來檢測環(huán)境數(shù)據(jù)，并上發(fā)至處理器，本系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集模塊有溫濕度采集模塊，其采用的是DHT11溫濕度傳感器；測量光照強度的傳感器采用的是BH1750光照度傳感器；土壤濕度傳感器則采用的YL-69 土壤濕度傳感器。

⑴溫濕度采集模塊

為實現(xiàn)環(huán)境的溫濕度采集，本次設計選用的是DHT11 溫濕度傳感器。同時，這個溫濕度傳感器具有體積小、功耗低、價格低等特點，適用于本次設計。從數(shù)據(jù)手冊中可以看出，這種傳感器可以在20～60℃的環(huán)境下進行測量，以及在5%～95% RH 范圍內進行測量。傳感器的三個引腳功能定義分別為：

1腳：VCC，電源控制口；

2腳：DATA，數(shù)據(jù)引腳，與單片機IO 口連接，將所測得數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機；

3腳：GND，接地。

根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖完成DHT11 的驅動代碼編寫，首先主機要給數(shù)據(jù)引腳輸出一個至少18ms的低電平然后拉高等待20-40μs，等待DHT11 回應這時GPIO 就要改變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，DHT11 響應拉低80μs 再拉高80μs，這個過程結束后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

⑵光照強度采集模塊

作物的生長自然也離不開光照，若想要穩(wěn)定控制作物所需的光源，自然離不開實時的環(huán)境光照檢測，為用戶提供一個實時的環(huán)境光照狀態(tài)，從而通過人工或終端控制作物所處環(huán)境的光照強度。本系統(tǒng)所選用的光照傳感器為BH1750 光照傳感器，BH1750 是一種光強度傳感器，能夠對環(huán)境的光強度進行量化，從而轉化為環(huán)境中的光強度lx。傳感器自身通過IIC總線進行通信，通過讀取寄存器從而提取到傳感器的實時數(shù)據(jù)。同時，因為傳感器具有較為廣泛的輸入光范圍，且小巧輕便、經(jīng)濟實惠，所以用作本系統(tǒng)的環(huán)境光照強度的檢測模塊。BH1750有五個引腳，其各自功能為：

1腳：VCC，電源接口；

2腳：GND，接地；

3腳：SCL，IIC時鐘線，時鐘輸入引腳，由單片機輸出時鐘信號；

4腳：SDA，IIC 數(shù)據(jù)線，雙向IO 口，傳輸數(shù)據(jù)的接口；

5腳：ADDR，IIC 地址線，接GND 時器件地址為0100011，接VCC時器件地址為1011100。

⑶土壤濕度采集模塊

本設計所使用的土壤濕度傳感器為YL-69 型土壤濕度傳感器，該模塊有較大的測量范圍，基本能滿足設計需求。土壤濕度傳感器工作電壓為3.3V～5V。該電路使用LM393作為比較器件，工作性能良好。通過從單片機從AO 口獲取模擬量[1]，獲得更準確的仿真數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)提供給用戶進行后續(xù)操作。土壤濕度傳感器的接線示意圖如圖2所示。

圖2 土壤濕度傳感器接線說明

1.3 灌溉模塊

選用小型水泵，其通過程序輸出高低電平實現(xiàn)對繼電器模塊的控制，從而控制水泵的開關。繼電器模塊與單片機相連有三處接口，分別是VCC、GND、IN，其中的VCC 與單片機電壓輸出口相接，GND 接地，IN引腳接單片機的串口，通過對IN 引腳輸出高低電平，從而控制繼電器的開關。繼電器另一端口也有三處接口，分別是NO（常開觸點）、NC（常閉觸點）、COM（公共端），因為這個繼電器模塊采用的是低電平觸發(fā)，所以當IN 引腳輸入為低電平時，繼電器常開觸點與COM端相連，從而接通，水泵有電而工作。

1.4 無線通信模塊

ESP8266 是具有超低功率的UART-WIFI 透傳模塊，包裝規(guī)格較小且能耗較低，可用作移動設施和物聯(lián)網(wǎng)應用設計。同時因為它的聯(lián)網(wǎng)功能，即可將使用者的設備連接至局域網(wǎng)，從而完成網(wǎng)絡通信，達到互聯(lián)。ESP8266WIFI 模塊采用串口與單片機通信，其內置有TCP/IP 協(xié)議棧，通過WIFI 與上位機通信。同時，ESP8266WIFI 有三種工作模式[2]，分別為：STA、AP、STA+AP。

2 基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的系統(tǒng)設計

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺支持用戶設備接入，還能對用戶設備進行管理，同時還提供創(chuàng)作者搭建便利的可視化平臺[3-4]。當用戶進入開發(fā)者中心后，進行產品添加，設置產品名稱、所屬品類、節(jié)點類型、連網(wǎng)方式以及數(shù)據(jù)格式。ESP8266作為發(fā)布者，通過MQTT協(xié)議，將單片機測得的各種數(shù)據(jù)上傳至服務器，然后在移動終端獲取數(shù)據(jù)[5-6]。利用阿里Iot-Studio 提供給用戶的應用編輯器，可將環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤濕度、光照強度等數(shù)據(jù)顯示在Web 應用界面上。同時設有一個獨立開關，可以向設置好的數(shù)據(jù)流發(fā)送對應的開關值數(shù)據(jù)，從而控制水泵的開關，若用戶需要，是可以進行自動控制的，通過下發(fā)AT 指令，程序內部設置數(shù)據(jù)閾值，當環(huán)境檢測到的數(shù)據(jù)超出閾值時，則控制外部設備的啟動，從而達到自動控制。阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺配置整體流程如圖3所示。

圖3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺配置流程圖

按照上述流程建好產品、添加云端設備和應用后，用戶創(chuàng)建的設備與設計中的設備對應，也是設備接入網(wǎng)絡的一種形式，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺為每個設備終端提供了一塊云空間，用戶可以在上面建立其所需要的數(shù)據(jù)流，編輯可視化應用等功能，同時還能建立用戶的人機互動畫面，從而達到遠程監(jiān)控的目的，Web應用界面如圖4所示。

圖4 Web應用界面

3 系統(tǒng)軟件設計

基于STM32CubeMX 進行，同時通過MQTT 協(xié)議以及ESP8266WIFI 模塊，將所測得的數(shù)據(jù)上傳至云端.。軟件模塊包括ESP8266WIFI 模塊、LCD 模塊的SPI 驅動、BH1750 光照傳感器驅動、DHT11 溫濕度傳感器模塊驅動、YL-69土壤濕度傳感器模塊等。

3.1 ESP8266模塊驅動

配置WIFI 為STA+TCP 客戶端模式，ESP8266 是通過AT 指令來實現(xiàn)程序的運行，比如說“AT”為測試指令“AT+RST”為復位指令，二者返回都為OK；“AT+CWMODE=1”意思是設置工作模式為客戶端模式；“AT+CIPMODE=1”意思則是開啟設備的透明傳輸模式，便是ESP8266通過接收到的串口數(shù)據(jù)，進行轉發(fā)值所設置的服務器端口上；“AT+CWSAP=“SSID”,“PWD””為設置熱點模式下的ESP8266 的熱點名稱和密碼；“AT+CIPMUX=0”設置設備為單連接模式；“AT+CIPSTART="TCP","%s",%d ",ip,port”意思是建立TCP連接，從而讓局域網(wǎng)內設備實現(xiàn)通信。

3.2 DHT11模塊驅動

DHT11 驅動則是根據(jù)時序圖完成DHT11 的驅動代碼編寫，首先主機要給數(shù)據(jù)引腳輸出一個至少18ms的低電平然后拉高等待20-40μs，等待DHT11 回應這時GPIO 就要改變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，DHT11 響應拉低80μs再拉高80μs，這個過程結束后就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 YL-69模塊驅動

YL-69 的工作原理則是通過硬件上連接的是YL-69土壤濕度傳感器的AO 引腳，AO 是傳感器的模擬量輸出，因此需要對采集到的模擬量進行轉化，而PC2 是芯片的ADC（模數(shù)轉換器）引腳，用于處理模擬數(shù)據(jù)。通過測量可知，設備置于在空氣中時，濕度為0%，所獲取到ADC 的值在3935 左右，而置于水中時，濕度為100%，所得到的ADC 值在2903 左右。因此，根據(jù)這個進行代碼部分的編寫，通過配置STM32CubeMX生成ADC 初始化代碼，用戶通過讀取傳感器ADC 的值從而獲取到實時的土壤濕度值，從而進行轉化得到表示土壤的濕潤度值。

4 結束語

本文利用現(xiàn)有的阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，設計并實現(xiàn)了一個基于STM32 和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的果園環(huán)境監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為管理系統(tǒng)與設備之間信息交換的橋梁，為系統(tǒng)用戶提供設備數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控信息服務。用戶可以通過移動終端，實現(xiàn)遠程控制，通過程序內對各種閾值的設定，從而保證系統(tǒng)的正常運行。