基于STM32的大棚種植環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)*

張吉圭

（貴州城市職業(yè)學院，貴州 貴陽 550025）

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，智能化、信息化需求的增加，近年來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)上的應用不斷發(fā)展。解決方案越來越多，集成度較高，終端節(jié)點功耗高，結構復雜，接口不統(tǒng)一，網(wǎng)絡平臺開發(fā)難度大，成本高，不易于維護，效率低，標準不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)不能共享等缺點。針對上述的問題，設計一種以STM32F103R6微控制器為核心，結合溫濕度傳感器對農(nóng)作物進行溫度和濕度的監(jiān)測，恒溫機和空氣循環(huán)機來調(diào)節(jié)溫濕度，通過ESP8266接入OneNET開放云平臺，WEB端或終端設備能夠遠程監(jiān)測和控制大棚的溫濕度。

1 系統(tǒng)總體構架

基于OneNET的大棚溫濕度環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：STM32F103R6主控制器、恒溫機和空氣循環(huán)機、DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、TP-Link路由器、ESP8266無線WiFi模塊、中國移動OneNET云平臺，WEB終端設備，系統(tǒng)構架如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體構架圖

STM32F103R6通過DHT11采集大棚的溫濕度，BH1750采集光照強度，ESP8266通過TP-Link接入互聯(lián)網(wǎng)和OneNET云平臺，在WEB終端能夠顯示大棚的溫濕度、光照強度及控制參數(shù)，當環(huán)境參數(shù)達到控制閾值，能夠通過設備終端或WEB端進行命令下發(fā)，控制恒溫機和空氣循環(huán)機的工作來調(diào)節(jié)溫濕度。溫室內(nèi)溫度正常時，恒溫機與空氣循環(huán)器不工作。室內(nèi)溫度異常，室外溫度正常時，空氣循環(huán)器工作。室內(nèi)溫度異常，室外溫度異常時，恒溫機工作。光照傳感器通過監(jiān)測光照的強度來實現(xiàn)大棚遮光和光照的需求，達到對濕度的控制，進而實現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的遠程控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

接入設備由STM32F103R6單片機、光照傳感器、溫濕度傳感器和ESP8266模塊、空氣循環(huán)機、恒溫機組成。ESP8266模塊通過串口與STM32F103R6處理器連接，恒溫機和空氣循環(huán)機通過繼電器連接到STM32F103R6處理器，溫濕度傳感器通過單總線與STM32F103R6處理器連接，光照傳感器由IIC總線與處理器進行連接，設備連接框圖如圖2所示。

圖2 設備連接框圖

2.1 STM32最小系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

STM32F103R6最小系統(tǒng)主要包括：復位電路、電源電路、晶振電路、調(diào)試電路。

電源電路：系統(tǒng)工作的電源主要包括5V的外圍驅(qū)動電源和3.3V的主控芯片STM32的工作電源，恒溫機和空氣循環(huán)機使用220V的交流電源。如圖3所示。

圖3 5V-3.3V電源電路

復位及晶振電路：STM32F103R6主芯片低電平復位。設計的電路中復位引腳正常情況為高電平，當按鍵按下時為低電平，系統(tǒng)復位。系統(tǒng)時鐘的頻率為72M，是由外部8M晶振經(jīng)PLL鎖相環(huán)升頻提供，系統(tǒng)其他外圍時鐘頻率經(jīng)系統(tǒng)時鐘分頻。系統(tǒng)復位及晶振電路如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)復位電路

圖5 系統(tǒng)晶振電路

2.2 ESP8266無線WiFi電路

為使得數(shù)據(jù)的互聯(lián)，能遠程查看和操作溫控系統(tǒng)，設計以ESP8266無線WiFi器件為核心的數(shù)據(jù)傳輸模塊，連接中國移動的OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)通過控制器串行口與ESP8266實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的傳輸及上傳，WEB終端通信顯示。工作電路如圖6所示。

圖6 ESP8266 WiFi通信電路

2.3 恒溫機及空氣循環(huán)機電路實現(xiàn)

大棚環(huán)境參數(shù)遠程控制系統(tǒng)的兩個執(zhí)行器恒溫機和空氣循環(huán)機，采用220V的交流電源工作，通過繼電器和STM32F103R6處理器進行連接。硬件連接如圖7、圖8所示。

圖7 空氣循環(huán)機繼電器驅(qū)動電路

圖8 恒溫機繼電器驅(qū)動電路

2.4 溫濕度傳感器及光照傳感器電路

溫濕度的采集采用DHT11單總線溫濕度傳感器，通過一條總線與處理器進行數(shù)據(jù)通信連接，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性，成本低、相對濕度和溫度測量、抗干擾能力強、超快響應、數(shù)字信號輸出、精確校準、超長的信號傳輸距離等特點。BH1750光照傳感器，一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，可用于環(huán)境光照參數(shù)的采集。硬件原理圖如圖9、圖10所示。

圖9 光照傳感器電路

圖10 溫濕度傳感器電路

3 系統(tǒng)軟件設計

隨著通信技術的發(fā)展，單片機的功能也越來越強大，編譯軟件代表性的有Keil、IAR、CodeWarrior等。代碼語言有匯編語言、C語言、JAVA語言等。C語言具有良好的邏輯性及功能性，本次設計選擇STM32F103R6作為主控制器，編程語言選用C語言，編譯軟件選用軟件Keil。

3.1 系統(tǒng)軟件設計結構框圖

整體的系統(tǒng)軟件設計是由系統(tǒng)里有著不同功能的模塊整合在一起，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)中包括環(huán)境參數(shù)的采集、恒溫機和空氣循環(huán)機的驅(qū)動、WiFi模塊通信程序、開關控制。系統(tǒng)軟件設計結構圖如圖11所示。

圖11 軟件框架圖

3.2 溫濕度采集程序

STM32處理器向DHT11發(fā)送溫濕度采集指令，傳感器在收到命令后執(zhí)行采集的工作，測量完成后通過單總線的方式發(fā)送給處理器，完成采集的工作。其時序圖如圖12所示。

圖12 DHT11時序圖

3.3 光照采集程序

光照傳感器BH1750采集大棚光照強度，通過IIC協(xié)議與處理器進行通信，把光照的數(shù)據(jù)傳送給STM32進行分析，通過ESP8266無線WiFi模塊連接OneNET云平臺，在設備終端顯示光照參數(shù)，能夠?qū)崟r掌握智慧大棚的光照條件，為大棚的濕度控制提供數(shù)據(jù)。

3.4 智能恒溫控制邏輯

智慧恒溫系統(tǒng)用于作物種植環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)，根據(jù)節(jié)能環(huán)保的原則，該系統(tǒng)分別測量室內(nèi)外溫度，并使用大功率溫室恒溫機和低功耗空氣循環(huán)器兩種方式實現(xiàn)自動恒溫管理，當室內(nèi)溫度超過客戶指定的正常閾值時，系統(tǒng)需根據(jù)溫室外溫度自行決定啟動恒溫設備，由此實現(xiàn)智能低功耗控制系統(tǒng)。智慧溫室內(nèi)部與外部的溫度、濕度數(shù)據(jù)，以及溫度調(diào)節(jié)設備是否啟動，需在云端實時顯示。其控制邏輯如圖13所示。

圖13 智慧恒溫系統(tǒng)邏輯圖

4 結果測試分析

數(shù)據(jù)基于OneNET云平臺的應用管理網(wǎng)頁提供的數(shù)據(jù)可視化，能夠提供WEB端來監(jiān)控智慧大棚的環(huán)境參數(shù)，還可以實現(xiàn)遠程的控制功能，即可通過電腦或者移動終端訪問中國移動OneNET云平臺，查看溫濕度數(shù)據(jù)的變化及溫濕度的控制。在系統(tǒng)上電后，把軟件下載到STM32F103R6的存儲器中，復位后程序開始運行，登錄OneNET云平臺對數(shù)據(jù)的可視化進行編輯，能夠在界面上顯示環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并能夠把控制命令下發(fā)到平臺，使恒溫機和低功耗空氣循環(huán)機執(zhí)行相應的控制命令，從而實現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結束語

本文設計以STM32處理器為核心的終端硬件電路，分析了傳輸協(xié)議完成了軟件的編寫。測試結果表明，大棚環(huán)境參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、功耗小、監(jiān)測精度高、開發(fā)周期短等優(yōu)點，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大棚溫濕度進行遠程監(jiān)測的功能。在該系統(tǒng)上增加傳感器便可以對更多的大棚環(huán)境進行監(jiān)測，同時也可以利用該平臺下發(fā)的命令對大棚的設備進行控制，實現(xiàn)對大棚的遠程監(jiān)控。