基于STM32單片機的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計.pdf

2018 年第 5 期 61 方案與應用 與 楊紫含 * 沈王姚 蘇和平 覃 浪 范麗琴 喻偉闖 * 摘 要 為監(jiān)測溫室大棚內的溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等參數(shù)，設計了一套基于無線通信的溫室大棚數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機作為主控模塊，多個傳感器采集溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)，采用無線射頻模塊 對溫室環(huán)境進行無線實時監(jiān)測，并顯示給用戶，以便用戶調節(jié)溫室大棚的環(huán)境因子。該系統(tǒng)具有實時性 好、穩(wěn)定性強、可視化強、成本低、便于擴展和集中式監(jiān)控等特點，可以廣泛地應用于室內農作物種植 管理。 關鍵詞 溫室大棚；無線通信；數(shù)據(jù)采集；單片機 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2018.05.016 * 湖北民族學院信息工程學院 湖北恩施 445000 * 湖北民族學院科技學院 湖北恩施 445000 基金項目 湖北民族學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 （2016CX110） 0引言 隨著我國農業(yè)的快速發(fā)展，溫室大棚不斷地擴大，逐漸 走向現(xiàn)代化，對溫室大棚內的環(huán)境因素監(jiān)測的要求也就越來 越高 1 。在農作物的生長過程中，其生長和產(chǎn)量受到溫度、 濕度、CO 2 濃度、光照強度等很多環(huán)境因素的影響 2 。由于 溫室大棚的分散性、區(qū)域化較強，給環(huán)境數(shù)據(jù)采集帶來諸多 困難，為此設計出一種基于STM32單片機和nRF24L01無線傳 輸模塊的溫室監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離條件下對溫室環(huán)境信息 的監(jiān)測。通過本系統(tǒng)可以監(jiān)測到溫室內的各項我們需要關注 的物理參數(shù)，然后對農作物的生長狀態(tài)進行較合理的、動態(tài) 的分析，幫助農主觀察農作物的生長狀態(tài)來提高農業(yè)品的數(shù) 量和質量 3 。 1系統(tǒng)總體設計 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由溫濕度傳感器、光照檢測傳感 器、CO 2 檢測傳感器來完成對環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集，所采集 的數(shù)據(jù)直接交由處理器STM32F103處理，處理之后的數(shù)據(jù)由 無線模塊nRF24L01來實現(xiàn)無數(shù)據(jù)的線傳輸，最終在電腦終端 顯示 4 。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示： STM32單片機 溫濕度傳 感器 光照檢測 傳感器 CO2檢測 傳感器 無線設備 電腦 終端 圖1 系統(tǒng)總體框圖 2018 年第 5 期 62 方案與應用 與 2系統(tǒng)硬件設計 2.1 主控制器模塊 系統(tǒng)的微處理器模塊選用STM32F103ZET6，它是STM32 家族中一款增強型系列的單片機，使用高性能的32位 Cortex-M3的內核，工作頻率為72MHz，具有豐富的增強I/O 口和連接到兩條APB總線的外設，綜合性能好 5 。 2.2 溫濕度檢測模塊 圖2 DHT11測量電路 溫濕度檢測模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一 款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它采用專 用的溫濕度傳感和數(shù)字模塊采集技術，具有很高的精度、分 辨率和可靠性，采用單線制的串行接口將所得的數(shù)字信號送 至處理器 6 。DHT11的測量電路如圖2所示。 2.3 光照強度檢測模塊 光照強度檢測模塊采用不區(qū)分光源數(shù)字型光強傳感器 BH1750，它能根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)對環(huán)境檢測，具有1 至65535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。 OSC為內部的振蕩器提供內部工作時鐘，通過相應的指令操 作即可讀取內部存儲的光照數(shù)據(jù)。當內部的接近人眼反應的 高精度光敏二極管檢測到外部光照時，通過集成運算放大器 將PD電流轉換為PD電壓，通過AD轉換獲得16位數(shù)字量， 利用兩線式串行總線來實現(xiàn)與STM32連接的建立，完成數(shù)據(jù) 傳輸 7 。圖3為光強傳感器的測量電路。 圖3 BH1750測量電路 2.4 二氧化碳濃度檢測模塊 MG811型二氧化碳氣體傳感器對二氧化碳有較高的靈 敏度和選擇性等優(yōu)點，可測的數(shù)據(jù)范圍為0-10000ppm 8 。 MG811采用固體電解質電池原理，由下列固體電池構成：空氣、 碳酸鹽、NASICON。其工作原理如下：當傳感器置于二氧化碳 氣氛中時，將發(fā)生以下電極反應： （1）負極：2li+CO 2 +1/2O 2 =LiCO 3 ; （2）2Na+1/2O 2 +2e-=Na 2 O; （3）LiCO 3 +2Na=Na 2 O+2Li+CO 2 。 傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差（EMF）符合能 斯特方程：MEF=Ec-(R*T)/(2F)ln(P(CO 2 ) 上式中：P(CO 2 )是CO 2 分壓，Ec為常量，R表示氣體常量， T表示絕對常量，其單位是K，F(xiàn)為法拉第常量。在不同的濃 度下將會輸出不同的電勢，并通過I 2 C協(xié)議進行數(shù)據(jù)的輸入 和輸出。 2.5無線通信模塊 采用nRF24L01芯片是一款新型單片RF收發(fā)一體器件， 工作于2.42.5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器模塊、功 率放大器模塊、振蕩器模塊、調制器模塊等功能模塊組成， 并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻 道可通過編程進行配置。nRF24L01功耗很低，在-6dBm的 功率發(fā)射時，工作電流大約9mA；接收模式時，工作電流約 為12mA；具有掉電模式和待機模式兩種低功耗工作模式，使 設備更加節(jié)能。nR F24L01采用GFSK調制，具有自動應答和 自動再發(fā)射功能，片內自動生成報頭和CRC校驗碼的特性。 nRF24L01的工作模式見下表1。 2018 年第 5 期 63 方案與應用 與 表1 nRF24L01工作模式 nRF24L01 所處模式 PWR_UP 位狀態(tài) PRIM_RX 位狀態(tài) CE引腳 電平 FIFO 寄存器 狀態(tài) 接收模式 1 1 1 - 發(fā)送模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄 存器中 發(fā)送模式 1 0 10 停在發(fā)送模式，至 數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機模式II 1 0 1 TX FIFO 為空 待機模式I 1 - 0 無數(shù)據(jù)傳輸 掉電模式 0 - - - 3 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件設計是在系統(tǒng)初始化之后，軟件實現(xiàn)單片機與 傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，單片機對所采集的物理信息進行處 理，然后編程實現(xiàn)單片機與無線通信模塊之間的信息傳遞， 并顯示在電腦終端 9 。系統(tǒng)軟件設計的流程圖如圖4所示。 初始化 溫濕度、光照強度、CO 2 濃度檢測 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)發(fā)送 終端顯示 開始 結束 圖4 軟件設計流程圖 4 結語 本系統(tǒng)利用單片機技術，將傳感器技術和無線通信技術 相結合，對主要影響植物生長的環(huán)境因子溫度、濕度、光照 強度、CO 2 濃度進行及時測量,并提供實時數(shù)據(jù)查詢功能。 整個系統(tǒng)能夠安全、可靠、實時、全面、高效地將溫室大棚 環(huán)境信息展現(xiàn)在管理人員的面前,方便工作人員對相關環(huán)境 因子進行調控,極大地提高農作物生長管理效率。 參考文獻： 1李立揚,王華斌,白鳳山.基于ZigBee和GPRS網(wǎng) 絡的溫室大棚無線監(jiān)測系統(tǒng)設計J.計算機測量與控 制,2012,20(12):3148-3150. 2賈寶欣.一種基于無線傳感網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 設計D.大連海事大學,2015. 3樊健.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的溫室大棚監(jiān)測和控制系統(tǒng)設計 D.安徽大學,2016. 4張慧穎.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)設計J. 湖北農業(yè)科學,2014,53(14):3402-3406+3411. 5楊永超,譚曉娥,劉曉妤.一種簡易直流電子負載的設 計J.湖北民族學院學報(自然科學版),2014,32(02):203- 205+221. 6劉俊宏,裴翀,盧會國,李從英.溫室大棚氣象環(huán)境監(jiān) 測網(wǎng)絡系統(tǒng)設計J.農學學報,2014,4(05):90-95. 7郭亮.基于嵌入式技術和無線傳感技術的大棚溫室參數(shù) 監(jiān)測系統(tǒng)D.沈陽工業(yè)大學,2012. 8辛艷輝,袁合才.基于單片機和TC35i的溫室大棚智能 監(jiān)測系統(tǒng)設計J.安徽農業(yè)科學,2011,39(13):8093-8094. 9牛青松,胡永強,鄧西金,李積雲(yún).基于無線傳感 器網(wǎng)絡的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計J.安徽農業(yè)科 學,2016,44(24):235-237+243. 【作者簡介】 楊紫含（1997-），女，漢族，湖北省仙桃市人，湖北民 族學院信息工程學院創(chuàng)新中心學生，主要從事智能控制研究； 喻偉闖（1982-），通信作者,男，碩士，主要從事智能 控制、嵌入式研究。 （收稿日期：2018-04-18）