溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

毛 群，張 勇

(阿壩師范學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院，四川 汶川 623002)

0 引 言

國內(nèi)川西南偏遠地區(qū)，很多地方采用傳統(tǒng)溫室大棚生產(chǎn)，限于成本較高等方面問題，目前只能通過單方面數(shù)據(jù)控制溫室大棚內(nèi)部環(huán)境，不能根據(jù)植物生長需求、地域條件差異很好地為大棚內(nèi)部的空氣溫濕度、CO2濃度，光照強度、土壤濕度等環(huán)境因數(shù)提供有效的解決方案[1]，溫室大棚控制沒有實現(xiàn)無線傳輸?shù)倪h距離控制。 為解決傳統(tǒng)溫室大棚智能化水平不足，筆者設(shè)計一款具有環(huán)境信息采集和數(shù)據(jù)處理能力的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，利用傳感器采集外部環(huán)境信息數(shù)據(jù)，單片機通過其UART、IIC、SPI接口與傳感器通信獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理模塊通過對當(dāng)前獲取數(shù)據(jù)進行判斷，利用單片機控制是否需要驅(qū)動噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、頂窗側(cè)窗、加溫補光等設(shè)備，同時通過ESP8266對終端發(fā)送數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，終端可通過發(fā)送數(shù)據(jù)請求驅(qū)動相應(yīng)控制設(shè)備，實現(xiàn)智能化控制。

1 溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計

溫室大棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

溫室大棚智能控制系統(tǒng)由溫濕度傳感器、光照傳感器、CCS811傳感器、土壤濕度傳感噴淋滴灌、內(nèi)外遮陽、開窗通風(fēng)、加溫補光等，保證溫室大棚內(nèi)環(huán)境條件適宜相應(yīng)植物生長，同時用戶可通過WIFI向STM32發(fā)送命令，STM32執(zhí)行相應(yīng)命令功能。

2 溫室大棚系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制器電路

系統(tǒng)所采用的微控制器是STM32F407ZGT6單片機，它使用了高性能的32位Cortex-M4內(nèi)核，最高頻率可達168Mhz，高達1MB Flash/192+4KB RAM,擁有140個具有中斷功能的I/O端口、17個定時器、15個通信接口、3個12位2.4MSPSADC、2個12位DA轉(zhuǎn)換器、CRC、RTC、真隨機數(shù)發(fā)生器等，兩條APB總線的外設(shè)，具有良好的性能。單片機是整個系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)整體控制電路如圖2所示。

圖2 STM32F407系統(tǒng)電路圖

2.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款溫濕度數(shù)字傳感器，包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，內(nèi)部與一個8位單片機相連接[2]。DHT11濕度傳感器與單片機STM32F407ZGT6之間采用單總線通信，每次傳輸40bit數(shù)據(jù)，DHT11的數(shù)據(jù)輸出為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和，其中校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加，某次從DHT11讀到的數(shù)據(jù)如表1所列。DHT11的數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。DHT11測量電路如圖4所示。

表1 DHT11數(shù)據(jù)

圖3 DHT11數(shù)據(jù)發(fā)送流程

圖4 DHT11測量電路

2.3 光照傳感器

光照傳感器是利用光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系判斷光照強度，無光照時其電阻值很高，只能流過微弱的電流；當(dāng)受到光照時其電阻值降低，電流隨入射光強度的變化而變化，利用這個電流變化，通過ADC讀取電壓值判斷外部光線的強弱，系統(tǒng)中光敏電阻測量電路如圖5所示。

圖5 光敏電阻測量電路

2.4 YL-69濕度傳感器

YL-69是一個簡單的土壤濕度傳感器,當(dāng)環(huán)境濕度改變時,濕敏電容存在的環(huán)境中的介質(zhì)將發(fā)生改變,導(dǎo)致濕敏電容中的電容數(shù)值產(chǎn)生變化，電容的數(shù)值與濕度值成正比[3]。通過YL-69的探頭能夠采集當(dāng)前的濕度值，通過ADC讀取電壓值判斷濕度的高低，系統(tǒng)中濕度傳感器測量電路如圖6所示。

圖6 濕度傳感器測量電路

2.5 CCS811氣體傳感器

CCS811是一款超低功耗微型氣體傳感器，CCS811的特性與優(yōu)點包括：內(nèi)置微控制器，管理傳感器驅(qū)動模式與測量揮發(fā)性有機化合物(VOC)；板載處理能力，無需主機干預(yù)即可提供等效二氧化碳(eCO2)等級或總揮發(fā)性有機化合物(TVOC)指標[4]。單片機STM32F407ZGT6與CCS811之間采用IIC接口進行通信，但與最常見的IIC傳感器相比，多了中斷、使能、復(fù)位功能和相應(yīng)的管腳。某次通過IIC讀取的數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 通過IIC讀取的數(shù)據(jù)

eCO2_data=((uint16_t)Byte0<<8)|((uint32_t)Byte1<<0))；

TVOC_data=((uint16_t)Byte2<<8)|((uint32_t)Byte3<<0))；

CCS811氣體傳感器測量電路如圖7所示。

圖7 CCS811氣體傳感器測量電路圖

2.6 ESP8266通信模塊

ESP8266是一款基于WIFI協(xié)議的無線傳輸模塊，ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種模式功能。STA模式：ESP8266通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程控制；AP模式：將ESP8266作為WIFI熱點，手機或電腦直接與模塊進行通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制；STA+AP模式：兩種模式的共存模式。ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCPClient連接，通過串口或I/O口進行通信[6]。本系統(tǒng)采用AP模式，通過ESP8266作為熱點實現(xiàn)用戶與單片機STM32F407ZGT6通信，配置如圖8、9所示，ESP8266電路如圖10所示。

圖8 ESP8266配置圖

圖9 連接ESP8266圖

圖10 ESP8266電路圖

3 溫室大棚系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計通過系統(tǒng)配置初始化ADC、IIC、UART、SPI等接口，采用溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤濕度傳感器等采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過液晶顯示，通過數(shù)據(jù)分析判斷當(dāng)前所采集的數(shù)據(jù)否在設(shè)定閾值之內(nèi)，若不在所設(shè)定閾值之內(nèi)，單片機將驅(qū)動相應(yīng)控制系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)節(jié)；若在所設(shè)定閾值內(nèi)，單片機將判斷是否需要遠程控制，若不需要遠程控制，單片機則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進行判斷；若需要用遠程控制控制，單片機將所接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能，執(zhí)行完后繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進行判斷。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖11所示。

圖11 軟件系統(tǒng)設(shè)計程序流程圖

4 溫室大棚系統(tǒng)調(diào)試

軟硬件設(shè)計調(diào)試完成后，本系統(tǒng)在室內(nèi)進行了整體測試，測量結(jié)果如圖12～15所示，系統(tǒng)可以準確顯示傳感器和ADC采集的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析驅(qū)動相應(yīng)的控制器。不同的時間段測試各項參數(shù)數(shù)據(jù)見表3所列。

圖12 光照系統(tǒng)圖 圖13 修改光照閾值圖

圖14 通風(fēng)系統(tǒng)圖 圖15 灌溉系統(tǒng)圖

表3為白天空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強度在不同時間段的變化，可以通過針對不同植物生長條件要求，設(shè)定相應(yīng)的環(huán)境值，單片機對比采集的值與所設(shè)定的值,通過數(shù)據(jù)處理之后，單片機驅(qū)動相應(yīng)繼電器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)，滿足系統(tǒng)需求。

表3 數(shù)據(jù)測試

5 結(jié) 語

利用STM32單片機為控制核心，使用ESP8266通信模塊及各種傳感器，設(shè)計出一套性能穩(wěn)定、價格低廉的溫室大棚智能控制系統(tǒng)，可對大棚內(nèi)植物的生長環(huán)境進行實時檢測，數(shù)據(jù)處理與分析，提供最佳的解決方案，使植物處于最優(yōu)生長環(huán)境。實驗表明，該系統(tǒng)能安全、可靠、高效地將環(huán)境數(shù)據(jù)信息傳遞給用戶，便于用戶管理和使用，具有一定的實用價值。