基于STM32的溫室大棚灌溉視頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王　蕾　崔麗霞　唐山學(xué)院智能與信息學(xué)院　063009

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基于STM32的溫室大棚灌溉視頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王蕾崔麗霞唐山學(xué)院智能與信息學(xué)院063009

項(xiàng)目：2014年唐山市科技支撐項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：14120209a

【文章摘要】

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，溫室大棚灌溉監(jiān)控系統(tǒng)由采集參數(shù)分析墑情的間接控制方式轉(zhuǎn)換為采用視頻監(jiān)控的直接控制方式。本文利用STM32為控制核心，通過WIFI無線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)了溫棚灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成本較低，達(dá)到了全方位監(jiān)控效果。

【關(guān)鍵詞】

STM32；WIFI；視頻監(jiān)控；墑情

0　引言

隨著溫室種植面積的不斷加大，以及地球水資源緊缺狀況急劇，怎樣在溫室灌溉中提升水資源的利用率，成為了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的溫室墑情采集控制系統(tǒng)多采用STC單片機(jī)、PLC等為控制核心，通過采集現(xiàn)場(chǎng)空氣與土壤的溫度、濕度等參數(shù)，根據(jù)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)狀態(tài)人工控制灌溉開關(guān)。用戶僅能依靠簡(jiǎn)單參數(shù)估計(jì)植物生長(zhǎng)需水量，參數(shù)采集范圍有限，這種控制方式存在較大的判斷差?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展中，無線監(jiān)控技術(shù)逐漸應(yīng)用到了溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中?；?GPRS技術(shù)和 PLC 的閘門監(jiān)控系統(tǒng)，采用 PLC 為核心的開放、分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)控制層設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)層設(shè)備和操作人員終端相互之間的無線網(wǎng)絡(luò)連接，為閘門的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一種新的技術(shù)手段。同時(shí)，CAN 總線技術(shù)和MSP430單片機(jī)技術(shù)也被應(yīng)用到了監(jiān)控系統(tǒng)中。但已有系統(tǒng)造價(jià)較高，同時(shí)主要應(yīng)用在大面積溫棚灌溉系統(tǒng)中，針對(duì)唐山地區(qū)溫室種植戶相對(duì)分散特點(diǎn)，這種系統(tǒng)并不適用。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

圖2　STM32原理圖

根據(jù)用戶設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要針對(duì)單棚灌溉情況進(jìn)行監(jiān)控。本系統(tǒng)依據(jù)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)和用水管理的實(shí)際狀況，本著低功耗、低成本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過灌溉圖像采集、存儲(chǔ)與WIFI無線傳輸?shù)挠布c軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了本地區(qū)溫棚灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

本系統(tǒng)利用STM32為主控核心，通過OV7076攝像頭采集溫室灌溉圖像，同時(shí)利用WIFI模塊進(jìn)行圖像信息的傳輸，為用戶設(shè)計(jì)上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示。

圖像采集模塊主要完成對(duì)溫室灌溉圖像信息采集的工作，用以分析土壤墑情監(jiān)測(cè)；控制模塊負(fù)責(zé)圖像的緩沖保存以及為無線傳輸準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；無線傳輸模塊主要負(fù)責(zé)圖像的遠(yuǎn)程穩(wěn)定傳輸；上位機(jī)模塊負(fù)責(zé)用人機(jī)信號(hào)的便捷交互，完成用戶對(duì)灌溉系統(tǒng)閥門的遠(yuǎn)程控制。

2　系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用基于Correx-M3內(nèi)核的STMF1032ZET6芯片為控制器。該芯片集成度較高，具有144個(gè)管腳。STM32固件庫提供了簡(jiǎn)單的函數(shù)庫，便于用戶訪問調(diào)用?？刂破鱏TM32原理圖如圖2所示。OV7670是OV公司出產(chǎn)的CMOSVGA圖像傳感器，穩(wěn)定工作電壓2.8V。其通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取等分辨率8位圖像數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)圖像最高達(dá)30幀/秒。OV767攝像頭與STM32管腳的連接關(guān)系為：OV_SDA 接PG13、OV_SCL接PD3、FIFO_RCLK接PB4等。OV7670PCLK最高可達(dá)24Mhz，如果直接使用IO口抓取是很困難的，所以設(shè)計(jì)中STM32通過FIFO讀取圖像數(shù)據(jù)，而攝像頭自帶的FIFO芯片也可用于暫存圖像數(shù)據(jù)，該容量為384K字節(jié)，足夠存儲(chǔ)2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。

主控制器SMT32利用SDI1接口驅(qū)動(dòng)MR09WIFI模塊，同時(shí)利用CS_29CLK、MISO_31、MOSI_32、INT_33與MR09模塊相連，組成通信線路。PB12利用開關(guān)電路控制WIFI功能，方便復(fù)位和電源控制。WIFI管腳連接圖如圖2、圖3所示。

圖3　WIFI管腳連接圖

3　系統(tǒng)軟件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用C語言在keil-MDK環(huán)境下完成軟件編譯、調(diào)試、下載的，實(shí)現(xiàn)了灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要包括OV7670采集圖像模塊程序設(shè)計(jì)、WIFI無線傳輸模塊程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)用戶界面模塊設(shè)計(jì)三部分。

OV7670模塊工作過程分為兩部分，主要涉及存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)和讀取圖形數(shù)據(jù)。圖像的存儲(chǔ)過程為：首先初始化OV7670模塊，然后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取使用了一個(gè)外部中斷來捕捉幀同步信號(hào)（VSYNC），然后在中斷里啟動(dòng)圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO，最后等待下一次VSHNC信號(hào)到來完成一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集圖像程序圖如圖4所示。

WIFI模塊作為STA站點(diǎn)，加入到無線路由AP建立無線網(wǎng)絡(luò)，通過AP與IP網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行圖像信息的傳輸。編譯下載WIFI程序，在電腦中搜索網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在第一個(gè)WIFIBOARD_ AdHoc_SPI,輸入網(wǎng)絡(luò)安全密鑰，等待網(wǎng)絡(luò)連接成功。網(wǎng)絡(luò)連接圖如圖5所示。當(dāng)WIFI網(wǎng)絡(luò)初始化成功后，運(yùn)行主程序。在初始化工程中設(shè)置AX22001參數(shù)，包括串口選擇、波特率設(shè)置、工作網(wǎng)絡(luò)模式、信道的選擇、IP地址的獲取和網(wǎng)絡(luò)端口的設(shè)定等。MCPU參數(shù)地址選擇為0x000-0x03F。

圖4　采集圖像程序圖

4　系統(tǒng)調(diào)試

硬件連接好之后，使用軟件編譯器編譯下載代碼，通過SW模式下載代碼到STM32。隨后，進(jìn)入上位機(jī)監(jiān)控界面，用戶可以利用按鈕（調(diào)用bmp_encode函數(shù)），實(shí)現(xiàn)串口控制拍照。在調(diào)試中OV_SCL與JOY_CLK共用PD3口，故攝像頭和手柄不可以同時(shí)使用；FIFO_WEN和FIFO_RCLK與JTAG信號(hào)線的JTDO和JTRST共用了，調(diào)試時(shí)不能選用JATAG模式，而使用SW模式。

5　總結(jié)

本文在分析對(duì)比國內(nèi)溫室灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照地方溫室作物生長(zhǎng)需求設(shè)計(jì)了基于STM32的溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫室土壤墑情信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其具有運(yùn)行穩(wěn)定、低成本、低功耗、易操作等特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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王蕾（1980-），女，講師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

圖5　網(wǎng)絡(luò)連接圖

【作者簡(jiǎn)介】