智慧型蔬菜溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

毛 威，陳明杰，李志華，周學(xué)禮

(常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及政策的推動(dòng)下，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，我國農(nóng)業(yè)正朝著智慧農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展[1]。智慧農(nóng)業(yè)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，運(yùn)用傳感器和軟件通過移動(dòng)平臺(tái)控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將現(xiàn)代化的科學(xué)管理技術(shù)、農(nóng)生技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等有關(guān)重要技術(shù)綜合起來，發(fā)揮其組合優(yōu)勢(shì)的一套系統(tǒng)[2]。目前我國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化水平、溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)水平、基礎(chǔ)設(shè)施的普及水平仍然很低。本設(shè)計(jì)利用物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層對(duì)溫棚進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，配合STM32單片機(jī)搭載的傳感器，可以使監(jiān)測(cè)的內(nèi)容更加豐富，通過無線收發(fā)器可以擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，從而將溫棚環(huán)境信息及時(shí)傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)中，便于管理者及時(shí)有效地采取措施。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成。下位機(jī)以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心，將空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器以及土壤pH值傳感器連接至單片機(jī)，并將監(jiān)測(cè)到的信息通過與單片機(jī)相連的LCD顯示屏顯示出來。上位機(jī)也是以STM32F103ZET6為核心，通過搭載的SIM800模塊與用戶手機(jī)連接，上位機(jī)接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)與閾值相比較，超出閾值則驅(qū)動(dòng)控制模塊來調(diào)節(jié)大棚中的環(huán)境狀況，同時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送至用戶手機(jī)。下位機(jī)通過無線傳輸模塊(本系統(tǒng)選用ZigBee模塊)與上位機(jī)進(jìn)行通信。此外，用戶還能夠通過外接電路來設(shè)定初始閾值。系統(tǒng)還包括為各個(gè)模塊供電的電源模塊。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為硬件和主控兩部分，其中的硬件部分包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器、土壤pH值傳感器、無線傳輸模塊、SIM800模塊以及一塊LCD顯示屏。主控部分采用的是ST公司的STM32F103ZET6，該芯片具有512K的Flash、64K的SRAM，有睡眠、停機(jī)和待機(jī)3種模式可供選擇，芯片還具有多達(dá)112個(gè)快速I/O端口，3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.1 空氣溫濕度采集模塊

為了適應(yīng)蔬菜溫棚的特殊環(huán)境，本設(shè)計(jì)選用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器可以進(jìn)行溫度和濕度的測(cè)量并且將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字輸出。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用了先進(jìn)的采集模塊和測(cè)量技術(shù)，具有較高的穩(wěn)定性和可信度[3]，其供電電壓為3～5.5 V，濕度為20%～90%，精度為±5%，溫度為0～50 ℃，精度為±2 ℃。本設(shè)計(jì)中選用PG10端口來進(jìn)行DHT11的單總線數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 土壤濕度采集模塊

蔬菜的生長(zhǎng)與土壤密不可分，本設(shè)計(jì)為了能時(shí)刻監(jiān)測(cè)土壤中濕度的變化，選用了YL-69土壤濕度傳感器[4-5]。通過電位器可以控制閾值，濕度低于或高于閾值時(shí)，傳感器的DO引腳輸出高電平，YL-69土壤濕度傳感器采用了LM393比較器芯片，其工作電壓為3～35 V。為了提高測(cè)量的精度，本設(shè)計(jì)采用AD轉(zhuǎn)換來采集YL-69土壤濕度傳感器測(cè)量到的土壤濕度數(shù)據(jù)。主控芯片STM32F103ZET6自帶的AD轉(zhuǎn)換通道使得模數(shù)轉(zhuǎn)換更加方便。

2.3 二氧化碳傳感器模塊

研究表明，二氧化碳濃度對(duì)植物的生長(zhǎng)有著重要影響。本設(shè)計(jì)采用了TGS4160二氧化碳傳感器[6-7]，因?yàn)槠渚哂性谳^低溫度(-10～+50 ℃)和較高濕度(5%～95%)下工作的良好特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)將其應(yīng)用到蔬菜溫棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，除上述特點(diǎn)外，它還兼具了穩(wěn)定性強(qiáng)、體積小、可持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)和良好的選擇性等特點(diǎn)。然而，一般情況下這款傳感器需要的預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，因此，該器件特別適合蔬菜溫棚這樣需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的連續(xù)供電工作系統(tǒng)，另外該傳感器配有溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。使用MCU對(duì)這個(gè)模塊進(jìn)行控制，二氧化碳的濃度輸出為電壓信號(hào)，其大小為0～3 V，對(duì)應(yīng)的氣體濃度為0～3 000×10-6。因?yàn)槎趸驾敵龅臐舛仁且粋€(gè)電壓信號(hào)，單片機(jī)這樣的微處理器是不能夠直接讀取的，所以需將傳感器的輸出引腳與單片機(jī)的PA2端口相連，再通過指定函數(shù)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換[8]后的二氧化碳數(shù)據(jù)。

2.4 光照傳感器模塊

光照是影響植物生長(zhǎng)的重要因素之一，對(duì)于溫棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)選擇光照傳感器GY-30[9]。GY-30支持I2C總線接口，光譜的范圍與人眼相近，具有寬范圍和高分解的特點(diǎn)(1～65 535 lx)。在節(jié)能方面，支持低電流關(guān)機(jī)功能，無需任何外部零件。將GY-30的時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA分別與下位機(jī)主控芯片的PB6與PB7引腳相連，ADD引腳作為I2C地址引腳接地。

2.5 土壤pH值傳感器模塊

土壤的pH值對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)具有一定的影響。由于根際環(huán)境的pH值過高或過低都會(huì)對(duì)作物的根系產(chǎn)生傷害，同時(shí)，也會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的有效性造成影響，因此需要人為地將根際pH值控制在合理范圍內(nèi)。

本系統(tǒng)采用了NHPH49型土壤pH值傳感器[10]，具有集成度高、體積小、功耗低、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。其準(zhǔn)確度達(dá)到±0.1，供電電壓為12 V，輸出電壓為0～5 V，輸出電流為4～20 mA，工作環(huán)境溫度為0～80 ℃，濕度為0～95%。將傳感器的輸出引腳與單片機(jī)的PA4端口相連再通過指定函數(shù)讀取模數(shù)轉(zhuǎn)換后的土壤pH值數(shù)據(jù)。

2.6 控制模塊

控制模塊與本設(shè)計(jì)的上位機(jī)相連，上位機(jī)判斷閾值后，進(jìn)行控制模塊的相關(guān)工作。用戶根據(jù)需要自行連接相應(yīng)的控制部分，如增濕器、風(fēng)扇等。如果上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷出二氧化碳的濃度過高，則開啟風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)處理。

2.7 無線傳輸模塊

智慧農(nóng)業(yè)將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)推向新的高度，有線傳輸?shù)姆绞皆黾恿宿r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，傳輸?shù)木嚯x也受到影響，而無線傳輸?shù)姆绞綇浹a(bǔ)了有線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，更加符合智慧農(nóng)業(yè)的理念。本設(shè)計(jì)中的無線傳輸模塊采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力[11]，其單個(gè)節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍為10～75 m，如果使用功率放大器，則傳輸?shù)姆秶鼜V，這對(duì)蔬菜溫棚所要監(jiān)測(cè)的范圍是足夠的。ZigBee的工作頻段靈活、功耗低和成本低，與其他無線傳輸方式相比也更加安全[12]。本設(shè)計(jì)使用CC2530芯片來滿足系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的要求，將ZigBee模塊的RXD與單片機(jī)上的PA9(U1_TX)引腳相連，TXD與單片機(jī)上的PA10(U1_RX)相連，供電電壓為3.3 V，利用串口采集需要發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.8 SIM800模塊

SIM800模塊是一款性價(jià)比較高的工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊[13]，該模塊采用SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)四頻850/900/1 800/1 900 MHz的SIM800芯片[14]，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800模塊支持TTL和RS232接口，本設(shè)計(jì)使用TTL電平，將SIM800的T_TX引腳與單片機(jī)上的PA3(即U2_RX)引腳相連，T_RX引腳與單片機(jī)上的PA2(即U2_TX)引腳相連，供電電壓選擇的是3.3 V。

2.9 TFT-LCD顯示模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用了與單片機(jī)配套的一款TFT-LCD顯示屏[15]，16位的并口驅(qū)動(dòng)，顯示屏的驅(qū)動(dòng)IC為NT35510，通過STM32自帶的FSMC接口以及8080并行方式來傳輸數(shù)據(jù)。圖2為TFT-LCD的硬件連接圖。將LCD的RS引腳與STM32上的PG0引腳相連，PG0引腳為FSMC的數(shù)據(jù)總線地址。將LCD_CS引腳與FSMC_NE4相連，LCD的讀使能引腳RD與單片機(jī)上的PD4引腳相連，寫使能引腳WR與PD5相連，16位的并口數(shù)據(jù)引腳依次連接至FSMC的D0～D15。

2.10 鍵盤電路

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于農(nóng)作物的種類不同，空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度以及土壤酸堿度這些環(huán)境要求往往不同，因此這些都需要人工干預(yù)。通過鍵盤向系統(tǒng)輸入設(shè)定農(nóng)作物適應(yīng)的環(huán)境參數(shù)的上、下限閾值。為此，系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)按鍵，通過這3個(gè)按鍵來控制空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度以及土壤酸堿度這些環(huán)境參數(shù)的切換選擇、上限數(shù)值以及下限數(shù)值。由于CPU的運(yùn)算速度很快，這種抖動(dòng)容易對(duì)按鍵的識(shí)別產(chǎn)生影響。為了消除因抖動(dòng)而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤操作，一般采用延時(shí)消除按鍵抖動(dòng)的方法。將按鍵S0、S1、S2分別與上位機(jī)主控芯片的PB3、PB5、PB7相連，其中S0表示環(huán)境參數(shù)的確定與切換，S1表示環(huán)境參數(shù)數(shù)值加1，S2表示環(huán)境參數(shù)數(shù)值減1。

圖2 TFT-LCD硬件連接圖

3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體流程

系統(tǒng)工作時(shí)的總流程圖如圖3所示，在單片機(jī)連接電源模塊后，先檢查無線通信模塊是否工作正常，由于本設(shè)計(jì)中上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線傳輸模塊進(jìn)行的，如果無線通信模塊無法正常工作，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸異常。當(dāng)檢測(cè)到ZigBee模塊各通信節(jié)點(diǎn)正常工作后，下位機(jī)的傳感器就會(huì)進(jìn)行初始化進(jìn)程，同時(shí)，上位機(jī)也開始接收下位機(jī)發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)傳送過來的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，如果檢測(cè)到數(shù)據(jù)超過閾值，則驅(qū)動(dòng)控制模塊工作且向用戶發(fā)送相應(yīng)的提示信息。為了方便用戶及時(shí)了解環(huán)境數(shù)據(jù)，下位機(jī)搭載了一塊LCD顯示屏用于顯示當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及日期和時(shí)間。

3.2 各模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中溫棚內(nèi)監(jiān)測(cè)的主要環(huán)境參數(shù)為空氣中的溫濕度、土壤濕度、二氧化碳、光照強(qiáng)度以及土壤pH值。由于每種作物的生長(zhǎng)條件都有區(qū)別，因而無法設(shè)定統(tǒng)一的閾值，只有通過改變環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，才能判定系統(tǒng)是否可以正常工作。

設(shè)計(jì)中，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以直接對(duì)環(huán)境中的溫濕度狀況進(jìn)行讀取，將監(jiān)測(cè)得到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)后與閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值，則發(fā)送信息至用戶并啟動(dòng)控制模塊對(duì)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)于土壤濕度的檢測(cè)，將傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后再顯示。土壤濕度檢測(cè)流程圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行的總流程圖

圖4 土壤濕度檢測(cè)流程圖

二氧化碳的檢測(cè)與土壤濕度的檢測(cè)方法類似，將監(jiān)測(cè)到的二氧化碳數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后與閾值進(jìn)行比較，如果超出閾值，則啟動(dòng)控制模塊降低二氧化碳的濃度，并向用戶發(fā)送提示信息。SIM800模塊的初始化則需要不同的AT指令來完成，在本設(shè)計(jì)中，采用GSM模塊發(fā)送短信至用戶手中，則需要定義以下3個(gè)AT指令[16-17]：AT+CSCS、AT+CMGS以及AT+CMGF。其中AT+CSCS是用于字符集的設(shè)置，本設(shè)計(jì)中需要發(fā)送中英文短信，將指令設(shè)置為：AT+CSCS=“UCS2”；AT+CMGS是用于用戶的手機(jī)號(hào)碼的設(shè)置，將指令設(shè)置為：AT+CMGS=“15945678923”；AT+CMGF是用于短消息模式的設(shè)置。SIM800模塊支持兩種模式：PDU和TEXT，本設(shè)計(jì)中選擇TEXT模式，設(shè)置的指令為：AT+CMGF=1。本系統(tǒng)中還用到GPRS模塊，因此，會(huì)用到以下指令：AT+CIPSTATUS、AT+CDNSCFG、AT+CIPSEND、AT+CIPSTART以及AT+CIPSHUT，其中AT+CIPSTATUS是用于查詢當(dāng)前連接狀態(tài)；AT+CDNSCFG則是配置域名服務(wù)器DNS，如指令：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，即設(shè)置為GPRS連接，接入點(diǎn)為“CMNET”；AT+CIPSEND指令用于發(fā)送數(shù)據(jù)；AT+CIPSTART指令用于建立TCP連接；AT+CIPSHUT指令用于關(guān)閉TCP連接。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度以及土壤pH值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊進(jìn)行傳輸，并與閾值進(jìn)行對(duì)比。如果超出預(yù)設(shè)閾值，則通過SIM800模塊發(fā)送信息至用戶，提醒用戶注意，控制模塊也會(huì)采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，使得溫棚內(nèi)的環(huán)境適合作物生長(zhǎng)。以模擬溫棚環(huán)境測(cè)試為例，控制模塊則用LED燈與蜂鳴器進(jìn)行代替，測(cè)得如下數(shù)據(jù)。

4.1 空氣溫濕度測(cè)量與分析

濕度測(cè)量選取FLUKE971作標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

溫度測(cè)量選取FLUKE1524作標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 空氣濕度測(cè)量值與相對(duì)誤差

表2 空氣溫度測(cè)量值與相對(duì)誤差

在測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)將溫濕度閾值設(shè)為30 ℃、80%，當(dāng)超過閾值時(shí)，LED燈亮且蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)溫度和濕度降到閾值以下時(shí)，恢復(fù)正常情況。

4.2 土壤濕度與二氧化碳數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

兩者均通過STM32 自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將土壤濕度與二氧化碳的數(shù)據(jù)通過數(shù)字量顯示出來，測(cè)得模擬溫棚中土壤濕度約為80%，二氧化碳濃度約為850×10-6，具體閾值應(yīng)當(dāng)參照不同植物生長(zhǎng)環(huán)境來進(jìn)行設(shè)置。在測(cè)試時(shí)，將土壤濕度閾值設(shè)置為85%，二氧化碳的濃度閾值設(shè)置為1 000×10-6，經(jīng)過測(cè)試，當(dāng)土壤溫度和二氧化碳超過對(duì)應(yīng)閾值時(shí)，聲光模塊會(huì)工作。

4.3 光照傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量

通過實(shí)際測(cè)量，測(cè)得模擬溫棚里的光照強(qiáng)度約為2 000 lx。由于不同作物的生長(zhǎng)對(duì)光照的要求不同以及照射的時(shí)間也有所區(qū)別，所以用戶可以在實(shí)際應(yīng)用中自行設(shè)置閾值與光照時(shí)間以達(dá)到良好的效果。

4.4 土壤pH值傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量

通過實(shí)際測(cè)量，測(cè)得模擬溫棚內(nèi)的土壤pH值約為6.2，具體閾值應(yīng)該根據(jù)各種作物的pH值適應(yīng)范圍進(jìn)行設(shè)置。在測(cè)試時(shí)，可以將土壤pH值閾值設(shè)定為8，當(dāng)超過閾值時(shí)，LED燈亮且蜂鳴器報(bào)警，降到閾值以下時(shí)，聲光模塊恢復(fù)正常。

4.5 報(bào)警信息發(fā)送格式

本設(shè)計(jì)中，需要將溫棚內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶。正常情況下，系統(tǒng)設(shè)置為每3小時(shí)發(fā)送1次數(shù)據(jù)。如果發(fā)生緊急情況，則立即發(fā)送預(yù)警信息至用戶，信息發(fā)送的格式為：“第__節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)緊急情況；空氣溫度：25℃；空氣濕度：45%；土壤濕度：83%；土壤pH值：6.2；光照強(qiáng)度：1 800 lx；CO2濃度：850×10-6”。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于STM32的蔬菜溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了溫棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，體現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)的理念。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有智能化程度高、性能穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值，可為企業(yè)的決策和生產(chǎn)提供切實(shí)可行的思路和經(jīng)驗(yàn)。以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加入實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)，并開發(fā)相應(yīng)的APP，使得用戶可以遠(yuǎn)程了解溫棚內(nèi)的情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫棚環(huán)境更加智能化、自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)。