基于STM32和ZigBee的小型溫室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計

陳高鋒+熊剛++龍建明++何國榮++張爭剛

摘要：針對目前小型溫室管理運行方式較為落后、自動化程度較低等情況，介紹1種以STM32控制器為核心，結(jié)合ZigBee無線傳感器技術(shù)和全球移動通信系統(tǒng)（GSM）無線通信技術(shù)，由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、STM32控制中心、手機控制終端、執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，闡述其工作原理、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計方法，進行裝配調(diào)試并進行實地測試。測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、安裝操作簡便等特點，完全能夠滿足小型溫室環(huán)境控制的需要。

關(guān)鍵詞：STM32；ZigBee；溫室；控制

中圖分類號： TP273文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0191-05

陜西地處我國中緯度地區(qū)，東西較窄，南北狹長。南為秦巴山地，中為關(guān)中平原，北為黃土高原，屬大陸性季風(fēng)氣候。陜西農(nóng)業(yè)自然資源在全國居中游偏上地位，其光照充足，晝夜溫差大，自然條件優(yōu)越，比較適宜發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。近些年，陜西先后出臺了一系列政策措施，鼓勵引導(dǎo)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。形成了陜北地區(qū)以日光溫室為主，關(guān)中地區(qū)精心打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，建設(shè)代表現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的智能設(shè)施農(nóng)業(yè)，陜南地區(qū)以塑料大棚為主要發(fā)展模式[1]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫室大棚占70%以上，這些溫室大棚中，政府企業(yè)投資興建的，其規(guī)模往往較大，基本建有先進的管理控制系統(tǒng)，而農(nóng)民自己建設(shè)的則規(guī)模較小，由于成本原因，往往都沒有建設(shè)管理控制系統(tǒng)，農(nóng)民通常憑眼睛觀察或簡易的工具測量環(huán)境參數(shù)，通過手動控制相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。這樣的測量及控制方式精度低、速度慢、易受外界環(huán)境干擾。因此，設(shè)計一種適合小型溫室需要、安裝方便、操作簡單、成本低廉的環(huán)境控制系統(tǒng)非常有必要。

1系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集部分、主控中心、數(shù)據(jù)傳輸部分、執(zhí)行機構(gòu)部分。數(shù)據(jù)采集部分主要由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點組成。其中終端節(jié)點上連接有溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2 傳感器，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，采集好的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給路由器節(jié)點，路由器節(jié)點將多個終端節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)整理后傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再將收到的多個大棚送來的數(shù)據(jù)整理后傳送至主控中心。主控中心主要實現(xiàn)對協(xié)調(diào)器傳送來的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲，設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)的上下限，通過判定監(jiān)測數(shù)據(jù)是否超限，決定是否向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送控制信號、是否啟動聲光報警，通過全球移動通信系統(tǒng)（GSM）模塊向指定用戶手機發(fā)送信息以及接收來自用戶手機的信息。數(shù)據(jù)傳輸部分由GSM模塊和無線移動網(wǎng)絡(luò)組成，主要實現(xiàn)將主控中心的數(shù)據(jù)傳送給用戶手機，以及將用戶手機的信息傳送給主控中心。執(zhí)行機構(gòu)由加熱、通風(fēng)、補光、制冷等設(shè)備組成，主要實現(xiàn)當主控中心發(fā)來指令后開啟或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其功能框如圖2所示，主要由CC2530核心模塊、溫濕度傳感器、CO2 傳感器、光照傳感器、電源模塊、復(fù)位模塊、無線發(fā)射模塊等組成。溫濕度傳感器選用廣州奧松公司生產(chǎn)的DHT11數(shù)字式傳感器，能測量20%～90%的相對濕度、0～50 ℃的溫度[2-3]，能滿足溫室的測量需要，采用單總線方式與CC2530控制器進行數(shù)據(jù)通信，實際應(yīng)用中加上正負電源線即可使該傳感器正常工作[4]。

光照傳感器選用BH1750FVI數(shù)字型光照度傳感器集成電路，采用兩線式串行總線接口，輸入光范圍為1～65 535 lx，無需其他外部件，最小誤差變動在±20%，具有體積小、靈敏度高、功耗低、穩(wěn)定性強的特點[5]。CO2傳感器選用MH-Z14A，是一款通用智能小型二氧化碳氣體傳感器，它利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的CO2進行探測，選擇性和無氧氣依賴性較好，內(nèi)置溫度補償，輸出數(shù)字信號，直接與控制器相連接。

終端節(jié)點使用2節(jié)9 V電池并聯(lián)提供電源，經(jīng)LM2596S開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器2級變化，分別輸出5.0、3.3 V的電壓，分別供外部傳感器、CC2530核心模塊使用。LM2596S是降壓型電源管理單片集成電路，輸入直流電壓范圍3.2～40.0 V，可調(diào)輸出電壓范圍1.2～37.0 V（±4%），輸出線性好且負載可調(diào)節(jié)，輸出電流可高達3A，具有過熱保護和限流保護功能，功耗小，效率高，外圍電路簡單。為了節(jié)省電能，每隔10min采集1次傳感器數(shù)據(jù)，其余時間處于休眠狀態(tài)。終端節(jié)點電源電路如圖3所示。

2.2主控節(jié)點硬件設(shè)計

主控節(jié)點是系統(tǒng)的控制核心，其功能框如圖4所示，主要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析、顯示、超限報警、傳輸、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動等功能，由主控芯片、電源電路、復(fù)位電路、鍵盤電路、時鐘電路、GSM模塊、顯示電路、報警電路、存儲電路、執(zhí)行機構(gòu)等部分組成。主控芯片選擇STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的精簡指令集計算機（RISC）內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速128 kB的閃存和20 kB的靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）存儲器，具有豐富的輸入/輸出（I/O）端口，具有2個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、3個16位定時器和1個脈波寬度調(diào)制（PWM）定時器，2個I2C和串行外設(shè)接口（SPI）、3個通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）、1個USB和1個控制器局域網(wǎng)總線（CAN）。工作在-40～105 ℃的溫度范圍，供電電壓2.0～3.6 V，采用多種省電模式以實現(xiàn)低功耗[6-9]。

GSM 模塊選用TC35，其尺寸小，功耗低，方便集成，工作在900、1 800 kHz 2個頻段，由自帶處理器、電源模塊、零插入力（ZIF）鏈接器、閃存、射頻模塊、天線接口等6個部分組成，使用通用終端設(shè)備與適配器之間通信的命令形式（AT）指令操作，可以實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、短消息、傳真等快速、可靠、安全傳

輸[10]。通過串口與STM32F103C8T6進行通信。

顯示電路選用JXD320240AF液晶顯示屏，它使用RA8806控制器進行控制，支持320×240雙圖層混和顯示和640×240或320×480單圖層顯示，內(nèi)建簡體中文（GB/BIG5）和美國信息交換標準代碼（ASCII）字體的只讀存儲器（ROM），支持多角度數(shù)字和字符旋轉(zhuǎn)顯示，支持1～4倍字型放大，具有文字對齊功能，支持4灰階顯示，支持粗體字以及行間距設(shè)定，內(nèi)建脈波寬度調(diào)制，以實現(xiàn)液晶顯示屏（LCD）對比或背光的調(diào)節(jié)[11]。

報警電路采用聲光報警的形式，當數(shù)據(jù)超限后，聲光部分將同時工作。存儲電路主要實現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)分類存儲在micro SD卡中。執(zhí)行機構(gòu)由驅(qū)動電路和執(zhí)行設(shè)備組成，在自動工作模式下，不斷檢測采集數(shù)據(jù)是否超過所設(shè)定上下限，當數(shù)據(jù)超限后，主控芯片驅(qū)動繼電器，打開相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，數(shù)據(jù)正常后，關(guān)閉相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備。在手動模式下，通過撥動開關(guān)打開或關(guān)閉執(zhí)行設(shè)備。主控節(jié)點硬件電路如圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主控節(jié)點軟件設(shè)計

主控節(jié)點是系統(tǒng)的控制核心，其控制芯片采用STM32F103C8T6，在其上運行的操作系統(tǒng)選用uC/OS Ⅱ（Micro Control Operation System Ⅱ），該系統(tǒng)是實時多任務(wù)、搶占

式、具有高度可移植性的操作系統(tǒng)[12-14]。軟件系統(tǒng)的工作流程為先初始化操作系統(tǒng)和外部設(shè)備，然后檢測協(xié)調(diào)器是否有發(fā)送數(shù)據(jù)請求，若有，接收數(shù)據(jù)，將其存儲在micro SD存儲卡上并在LCD顯示屏顯示。隨后，檢測GSM是否有數(shù)據(jù)請求，若有，通過短信的形式將實時采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機，緊接著檢測是否有按鍵事件發(fā)生，若有，設(shè)置各個采集數(shù)據(jù)的上下限。隨后，檢測系統(tǒng)是工作在手動模式還是自動模式，若為手動模式，則通過撥動開關(guān)開啟或關(guān)閉相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備；若為自動模式，先檢測數(shù)據(jù)是否超過所設(shè)定的上下限，若超過，啟動聲光報警，向用戶手機發(fā)送報警短信并撥打電話，開啟相關(guān)執(zhí)行設(shè)備，若沒有超限，則關(guān)閉聲光報警和相關(guān)執(zhí)行設(shè)備。然后，重復(fù)以上過程。為了避免在下次循環(huán)過程中數(shù)據(jù)超限，手機短信反復(fù)發(fā)送，設(shè)定10min內(nèi)數(shù)據(jù)超限，短信不再發(fā)送。主控節(jié)點程序流程如圖6所示。

3.2手機APP系統(tǒng)設(shè)計

手機APP系統(tǒng)采用Eclipse ADT開發(fā)環(huán)境，在Win10 64位操作系統(tǒng)下進行開發(fā)，使用安卓常用的TextView、ImageButton等控件，考慮到APP的專業(yè)性，對相關(guān)控件進行歸類，采用線性布局進行開發(fā)，用有倒角的背景將同類參數(shù)框在一起，簡潔明了。手機APP主要實現(xiàn)溫室采集數(shù)據(jù)的顯示、設(shè)備工作狀態(tài)的顯示、發(fā)送命令獲取當前數(shù)據(jù)以及當數(shù)據(jù)超限后接收系統(tǒng)發(fā)來的報警信息。其界面如圖7所示。

4系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成后，于2016年9月11日在陜西周至某溫室大棚進行了實地測試，選擇在2個溫室大棚各布設(shè)4個無線采集節(jié)點，每個無線采集節(jié)點分別連接1個溫濕度傳感器、1個光照度傳感器、1個CO2 傳感器。設(shè)定溫度范圍為20～26 ℃，相對濕度范圍為70%～80%，光照度范圍為200～500 lx，CO2濃度范圍為300～450 mg/L。每隔1h檢測1次數(shù)據(jù)，再用專業(yè)的檢測工具測量相關(guān)的數(shù)據(jù)，主要查看相關(guān)數(shù)據(jù)的相對偏差值以及相關(guān)控制設(shè)備是否能夠正常開啟或關(guān)閉。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過對終端節(jié)點測試數(shù)據(jù)和專業(yè)檢測工具測量的數(shù)據(jù)對比分析，平均溫度在±0.6 ℃的誤差范圍內(nèi)，平均相對濕度在±2%的誤差范圍內(nèi)，平均光照度在±10 lx的誤差范圍內(nèi)，平

均CO2 濃度在±10 mg/L的誤差范圍內(nèi)。在自動工作模式下，18：30時，溫度和光照度的檢測數(shù)據(jù)超出了其設(shè)定工作范圍，聲光報警啟動工作，同時加熱機信號燈和補光機信號燈點亮，表明驅(qū)動電路已經(jīng)發(fā)出信號，驅(qū)動相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)開始工作。通過實地測試，表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好，可以滿足溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的需要。

5結(jié)論與展望

本研究針對目前小型溫室在環(huán)境參數(shù)監(jiān)控方面存在的不足，提出并設(shè)計了1種以STM32為控制中心，結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點表現(xiàn)為布設(shè)簡單、組網(wǎng)方便、擴充容易，該系統(tǒng)不受溫室內(nèi)各種障礙物的干擾，監(jiān)測節(jié)點隨意布設(shè)，根據(jù)監(jiān)測溫室的范圍，可以容易地擴充終端監(jiān)測節(jié)點；操作簡便、維護方便。該系統(tǒng)只有很少的幾個按鈕， 用于設(shè)定監(jiān)測數(shù)據(jù)

的上下限范圍，通過液晶大屏顯示數(shù)據(jù)，使得系統(tǒng)操作非常簡便，系統(tǒng)各部分模塊相對獨立，出現(xiàn)故障后，只需更換出現(xiàn)故障的部分，沒有故障的部分可以在其他地方反復(fù)使用；成本低廉、可重復(fù)使用，以2座連體溫室大棚的監(jiān)控為例，該系統(tǒng)硬件成本大約需要3 000元，軟件粗略估算約1 000元，系統(tǒng)總成本不超過5 000元，另外，拆卸下來的模塊可以反復(fù)使用，后期系統(tǒng)的運行費用主要由電池費用、電費、設(shè)備維護費、短信費等組成，每年大約為2 000元，相對而言，該系統(tǒng)的一次性投入和后期運行費用都是較低的。系統(tǒng)在運行過程中，可以實現(xiàn)溫室內(nèi)完全無人值守，用戶可以通過移動終端隨時掌握溫室內(nèi)各種數(shù)據(jù)的變化情況。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)在數(shù)據(jù)采集方面可以增加土壤溫濕度傳感器，在控制方面，可以增加對卷簾設(shè)備、噴淋設(shè)備的控制，實現(xiàn)更加全面的溫室數(shù)據(jù)采集和控制。

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