基于WIFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋林桂,陳清

摘? 要：本文提出了基于WIFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，通過STM32F103C8T6微控制器和環(huán)境監(jiān)測傳感器實(shí)時(shí)地監(jiān)測大棚里的環(huán)境溫濕度、光照、土壤濕度、CO2濃度、視頻等環(huán)境信息并通過WIFI技術(shù)無線將數(shù)據(jù)信息傳到電腦終端，用戶可以在電腦終端遠(yuǎn)程查看大棚里環(huán)境信息和作物的生長情況。

關(guān)鍵詞：WIFI技術(shù)；STM32F103C8T6；視頻；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP311?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?? 引言（Introduction）

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然以傳統(tǒng)生產(chǎn)模式為主，傳統(tǒng)大棚只能憑經(jīng)驗(yàn)灌溉放風(fēng)拉關(guān)遮陽網(wǎng)。同時(shí)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式無法監(jiān)測大棚里的環(huán)境信息，不能科學(xué)有效地促進(jìn)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和調(diào)節(jié)生長周期。本文提出了一種基于WIFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，通過WIFI技術(shù)無線傳輸農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息和視頻到用戶端，解決了農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式存在的一些問題。

2?? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（System design）

圖1 系統(tǒng)框圖

Fig.1 The block diagram of the system

WIFI是一種目前得到廣泛應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)，具有成本低、不需布線等優(yōu)點(diǎn)，可隨機(jī)接入因特網(wǎng)是一種比較理想的大棚環(huán)境監(jiān)測解決方案[1]。系統(tǒng)將環(huán)境信息和視頻通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到電腦終端，系統(tǒng)為了避免布網(wǎng)線采用了WIFI技術(shù)，系統(tǒng)采用刷了OpenWrt系統(tǒng)的3G路由器作為無線傳輸模塊。OpenWrt系統(tǒng)自帶了MJPG-streamer軟件和Ser2net軟件，MJPG-streamer軟件傳輸攝像頭采集的視頻實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的作用，Ser2net軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)互相轉(zhuǎn)換。3G路由器在無遮擋的情況下有效傳輸距離為150m，能夠滿足近距離的數(shù)據(jù)傳輸，如需增大傳輸距離需增加外置大功率天線[2]。

系統(tǒng)通過STM32F103C8T6微控制器和傳感器監(jiān)測大棚里面的影響作物生長的環(huán)境因素：環(huán)境溫濕度、光照、CO2濃度、土壤濕度，微控制器通過串口將這些環(huán)境信息通過3G路由器發(fā)送出去。刷了OpenWrt系統(tǒng)的3G路由器支持UVC格式的USB攝像頭，3G路由器將USB攝像頭采集到的視頻發(fā)送出去。電腦終端裝有大功率的無線路由器，同時(shí)電腦終端裝有上位機(jī)軟件來實(shí)時(shí)地顯示3G路由器發(fā)送過來的視頻和環(huán)境信息[3]。

3?? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（Hardware design）

3.1?? 微控制器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6是意法半導(dǎo)體推出STM32增強(qiáng)型系列微控制器，STM32是Cortex-M3內(nèi)核32位ARM，STM32具有高速度、高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。STM32內(nèi)部集成了ADC、I2C、SPI等外設(shè)資源，現(xiàn)在占據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域很大的市場。

3.2?? 傳感器電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用AM2301，AM2301工作電壓是3.3—5.5V，供電采用3.3V，AM2301的DATA引腳用于STM32F103C8T6微控制器與AW2301之間的通訊和同步；光照傳感器采用TSL2561，TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。TSL2561工作電壓是2.7—3.5V，供電采用3.3V，TSL2561具有I2C和SMBus接口，本設(shè)計(jì)使用I2C接口，TSL2561的I2C接口接到微控制器的I2C_1接口；土壤濕度傳感器采用MP-508B土壤濕度傳感器，土壤濕度傳感器的工作電壓是7—15V，供電采用12V，土壤濕度傳感器的測量范圍是0%—100%，信號(hào)輸出是0—1V，信號(hào)輸出接微控制器的ADC_IN1引腳。CO2濃度傳感器采用CDT-500系列農(nóng)業(yè)防護(hù)型CO2變送器，CO2變送器的工作電壓是12—24V，供電采用12V，CO2變送器的測量范圍是0—5000ppm，信號(hào)輸出是4—20mA的模擬量輸出，信號(hào)輸出經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)換送給微控制器的ADC_IN2引腳。

4? 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)（The microcontroller software

design）

為了降低系統(tǒng)整體功耗和優(yōu)化微控制器程序，微控制器通過定時(shí)器定時(shí)20分鐘采集環(huán)境溫濕度、光照、土壤濕度、CO2濃度等數(shù)據(jù)并通過微控制器串口發(fā)送給3G路由器的串口，20分鐘發(fā)送一次環(huán)境信息數(shù)據(jù)完全可以滿足農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的要求。

4.1?? AM2301軟件設(shè)計(jì)原理

微處理器與AM2301之間采用單總線數(shù)據(jù)格式通信，一次通訊時(shí)間5ms左右，具體格式在下面說明，一次數(shù)據(jù)傳輸為40位，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和微控制器發(fā)送一次開始信號(hào)后， AM2301從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后， AM2301發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集。

4.2?? TSL2561軟件設(shè)計(jì)原理

TSL2561其內(nèi)部連接一個(gè)光敏二極管（通道0）和一個(gè)紅外響應(yīng)光敏二極管（通道1）。TSL2561內(nèi)部集成兩個(gè)積分式A/D轉(zhuǎn)換器，可將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字量，并存入TSL2561芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。微控制器則通過I2C總線協(xié)議對(duì)其內(nèi)部的寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)TSL2561的控制。數(shù)字量表示測量每一個(gè)通道的光強(qiáng)，可以是微處理器的輸入。當(dāng)積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成后，能夠從通道0寄存器和通道1寄存器讀取相應(yīng)的值CH0和CH1，但是要以Lux（流明）為單位，還要根據(jù)CH0和CH1進(jìn)行計(jì)算。endprint

4.3?? STM32的ADC軟件設(shè)計(jì)原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設(shè)計(jì)ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復(fù)位ADC，配置ADC時(shí)鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數(shù)，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設(shè)計(jì)原理和串口通信協(xié)議

串口是微控制器的一個(gè)重要資源，串口能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調(diào)試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時(shí)鐘。（2）GPIO端口模式設(shè)置：PA9配置成復(fù)用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復(fù)位USART1，初始化USART1參數(shù)。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數(shù)。

為了優(yōu)化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發(fā)送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)按照協(xié)議組成一幀數(shù)據(jù)。協(xié)議的起始標(biāo)志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前。土壤濕度和環(huán)境溫濕度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前，高8位表示整數(shù)，低八位表示小數(shù)。最后8位表示校驗(yàn)位，系統(tǒng)采用CRC8校驗(yàn)。

5?? 系統(tǒng)測試（System test）

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能夠正常工作，通過上位機(jī)調(diào)試軟件接受WIFI發(fā)過來的環(huán)境信息。如圖5所示，這說明下位機(jī)可以正常工作。

圖2 上位機(jī)軟件接受環(huán)境信息數(shù)據(jù)截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)不僅能無線傳輸作物生長的必要環(huán)境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統(tǒng)利于用戶科學(xué)地管理大棚?；赪IFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)不僅減少了人力物力的浪費(fèi)而且提高了農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車的

設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺(tái)無線視頻監(jiān)控小

車的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺(tái)的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：嵌入式應(yīng)

用設(shè)計(jì).

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領(lǐng)域：硬件電路

設(shè)計(jì).endprint

4.3?? STM32的ADC軟件設(shè)計(jì)原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設(shè)計(jì)ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復(fù)位ADC，配置ADC時(shí)鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數(shù)，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設(shè)計(jì)原理和串口通信協(xié)議

串口是微控制器的一個(gè)重要資源，串口能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調(diào)試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時(shí)鐘。（2）GPIO端口模式設(shè)置：PA9配置成復(fù)用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復(fù)位USART1，初始化USART1參數(shù)。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數(shù)。

為了優(yōu)化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發(fā)送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)按照協(xié)議組成一幀數(shù)據(jù)。協(xié)議的起始標(biāo)志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前。土壤濕度和環(huán)境溫濕度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前，高8位表示整數(shù)，低八位表示小數(shù)。最后8位表示校驗(yàn)位，系統(tǒng)采用CRC8校驗(yàn)。

5?? 系統(tǒng)測試（System test）

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能夠正常工作，通過上位機(jī)調(diào)試軟件接受WIFI發(fā)過來的環(huán)境信息。如圖5所示，這說明下位機(jī)可以正常工作。

圖2 上位機(jī)軟件接受環(huán)境信息數(shù)據(jù)截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)不僅能無線傳輸作物生長的必要環(huán)境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統(tǒng)利于用戶科學(xué)地管理大棚?；赪IFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)不僅減少了人力物力的浪費(fèi)而且提高了農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車的

設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺(tái)無線視頻監(jiān)控小

車的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺(tái)的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：嵌入式應(yīng)

用設(shè)計(jì).

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領(lǐng)域：硬件電路

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4.3?? STM32的ADC軟件設(shè)計(jì)原理

STM32F103C8T6有兩路12位逐次比較型ADC，本設(shè)計(jì)ADC的參考電壓采用電源電壓。STM32F103C8T6的ADC1的通道1在PA1上，ADC2的通道2在PA2上，所以PA1和PA2的I/O口模式要配置成模擬輸入模式。使用PA1和PA2作為ADC輸入口需要的軟件配置的過程：（1）開啟PA口時(shí)鐘和ADC時(shí)鐘，配置PA1和PA2口配置成模擬量輸入模式。（2）復(fù)位ADC，配置ADC時(shí)鐘分頻因子。（3）初始化ADC參數(shù)，配置ADC工作模式。（4）讀取ADC值。

4.4?? STM32串口軟件設(shè)計(jì)原理和串口通信協(xié)議

串口是微控制器的一個(gè)重要資源，串口能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)微控制器的之間的通信并且在微控制器程序調(diào)試的過程中有重要的作用。STM32F103C8T6具有三路串口，STM32F103C8T6使用USART1和3G路由器模塊通信。STM32使用串口USART1需要軟件配置的過程：（1）開啟PA口和USART1時(shí)鐘。（2）GPIO端口模式設(shè)置：PA9配置成復(fù)用推挽使出模式，PA10配置成浮空輸入模式。（3）復(fù)位USART1，初始化USART1參數(shù)。（4）開啟中斷并且初始化 NVIC。（5）使能USART1。（6）編寫中斷處理函數(shù)。

為了優(yōu)化軟件和串口通信的可靠性，讓串口一次發(fā)送的環(huán)境信息數(shù)據(jù)按照協(xié)議組成一幀數(shù)據(jù)。協(xié)議的起始標(biāo)志位是$。光照度和CO2濃度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前。土壤濕度和環(huán)境溫濕度分別用16位二進(jìn)制數(shù)表示，高位在前，高8位表示整數(shù)，低八位表示小數(shù)。最后8位表示校驗(yàn)位，系統(tǒng)采用CRC8校驗(yàn)。

5?? 系統(tǒng)測試（System test）

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能夠正常工作，通過上位機(jī)調(diào)試軟件接受WIFI發(fā)過來的環(huán)境信息。如圖5所示，這說明下位機(jī)可以正常工作。

圖2 上位機(jī)軟件接受環(huán)境信息數(shù)據(jù)截圖

Fig.2 PC software displays the receiving environment

information data

6?? 結(jié)論（Conclusion）

本系統(tǒng)不僅能無線傳輸作物生長的必要環(huán)境信息也能傳輸了作物生長狀況的視頻到電腦終端，系統(tǒng)利于用戶科學(xué)地管理大棚。基于WIFI技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)不僅減少了人力物力的浪費(fèi)而且提高了農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 湯莉莉，等.基于Cortex-M3微控制器的 WiFi物聯(lián)網(wǎng)小車的

設(shè)計(jì)[J].無線電工程，2014，44（4）：58-61.

[2] 張傳真，張莉，江建軍.Android平臺(tái)無線視頻監(jiān)控小

車的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2013，36（10）：19-22.

[3] 朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺(tái)的無線遙

控智能小車[J].電子器件，2013，36（3）：408-412.

作者簡介：

宋林桂（1990-），男，本科，助理實(shí)驗(yàn)師.研究領(lǐng)域：嵌入式應(yīng)

用設(shè)計(jì).

陳? 清（1954-），男，本科，副教授.研究領(lǐng)域：硬件電路

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