基于STM32智能植物培育環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

馮新剛，王浩能，陳林敏，胡敏星，譚盧敏

（贛南科技學(xué)院，江西 贛州 341000）

當(dāng)前，科技高速發(fā)展，數(shù)字智能化普及。傳統(tǒng)的植物培育方式主要還是依賴于人工作業(yè)，極易導(dǎo)致由于培育人員的經(jīng)驗(yàn)不足或人為疏忽造成植物培育不當(dāng)，常常出現(xiàn)植物枯萎、衰敗、甚至凋亡。如何利用科技手段提高植物培育質(zhì)量的研究應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)用嵌入式技術(shù)，結(jié)合多種傳感器獲取植物培育環(huán)境的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，對植物的生長環(huán)境全天候檢測，保證植物的生長狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對植物的全自動(dòng)培育。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過溫度傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器采集環(huán)境參數(shù)，由STM32控制器自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到參數(shù)的數(shù)字量，再經(jīng)軟件算法處理得到較為準(zhǔn)確的參數(shù)值，通過ZigBee無線通信傳輸給控制中心。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

溫度檢測選用鉑熱電阻PT100，型號為HEL-776，這種溫度傳感器的測溫范圍在-55℃～+155℃之間，滿足測溫要求，同時(shí)線性阻值與溫度成正比，性能穩(wěn)定[1-4]。PT100鉑熱電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為：

式中：RPT為環(huán)境溫度T下鉑熱電阻的阻值；R0為0℃時(shí)鉑熱電阻的阻值；A=3.9083×10-3；B=-5.775×10-7；C=-4.183×10-12。根據(jù)該公式計(jì)算出0℃～100℃對應(yīng)的電阻值如表1所示。

表1 鉑熱電阻PT100阻值與溫度對照表

溫度檢測電路采用恒壓型測溫電路，如圖2所示，RT1是HEL-776鉑熱電阻，RV1為電橋零點(diǎn)調(diào)整，RV2為放大倍數(shù)調(diào)整。

圖2 鉑熱電阻測溫原理圖

該電路輸出電壓Vout為：

式中，ΔR為鉑熱電阻RT1的變化量；Vin為+12V。

根據(jù)環(huán)境溫度要求，設(shè)定檢測溫度范圍在0℃～100℃之間，調(diào)整RV1和RV2，輸出電壓在0～5V之間。

根據(jù)圖2所示電路進(jìn)行溫度檢測并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溫度檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

STM32F103自帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，其參考電壓為+3.3V，模擬電壓輸入范圍0～+3.3V，傳感器檢測的輸出電壓需要外部加一個(gè)電壓調(diào)理電路，使其模擬電壓符合其A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入范圍[5-7]。系統(tǒng)采用兩個(gè)10K高精度電阻串聯(lián)分壓，使得傳感器檢測的輸出電壓降為0～+2.5V，精度可以達(dá)到0.06℃，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3 濕度檢測電路設(shè)計(jì)

濕度檢測選用HM1500濕度傳感器，該傳感器適用于10%～95%RH環(huán)境的精確測量，5VDC供電時(shí)，0～100%RH典型輸出1～4VDC，可以直接送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換[8-9]。根據(jù)該傳感器轉(zhuǎn)換原理，輸出電壓Uo和相對濕度RH之間的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式為：

在環(huán)境溫度23℃時(shí)，其對應(yīng)關(guān)系見表3所示。

表3 相對濕度與輸出電壓關(guān)系表（23℃）

濕度傳感器在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，因此根據(jù)表達(dá)式（3）計(jì)算得到的相對濕度RH還需要經(jīng)過溫度補(bǔ)償后才能得到較為準(zhǔn)確的值，系統(tǒng)采用軟件溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償公式為：

公式中：RHcompensated-溫度補(bǔ)償后的相對濕度；RHTa-在環(huán)境溫度Ta下傳感器根據(jù)表達(dá)式（3）轉(zhuǎn)換得到的相對濕度；Ta-環(huán)境溫度，可以由溫度檢測模塊提供。

濕度傳感器的輸出電壓采用相同的電壓調(diào)理電路進(jìn)行降壓后，由STM32F103控制器自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，精度可達(dá)0.16%RH，根據(jù)表達(dá)式（4）進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償后得到不同溫度下相對濕度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同環(huán)境溫度下溫度補(bǔ)償后的相對濕度數(shù)據(jù)

4 光照檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇硅光電池ZL-G003作為光照檢測傳感器，硅光電池光譜范圍較寬，頻率特性好，換能效率高且性能穩(wěn)定[10]。該照度檢測設(shè)定檢測范圍0～500lx，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，硅光電池光照特性如圖3所示。

圖3 硅光電池光照電流電壓特性圖

由圖可以看出其開路電壓與光照度之間是非線性關(guān)系，其短路電流與光照度之間具有線性關(guān)系，檢測光照度易于采用其短路電流，光照檢測電路如圖4所示。

圖4 光照檢測電路

電路主要由兩部分組成，第一部分，實(shí)現(xiàn)硅光電池采集光照度，并通過運(yùn)算放大器A1把短路電流轉(zhuǎn)換為電壓形式輸出，調(diào)節(jié)RP1的大小，使輸出電壓為1mV/lx，再通過A2組成的電壓跟隨器，以及R2、C組成的低通濾波器，轉(zhuǎn)換電壓的輸出電壓為平均照度的電壓信號。第二部分，通過A2組成的放大電路，調(diào)節(jié)RP2的大小，把0～500mV的輸出電壓放大到0～5V。根據(jù)圖4電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 光照度與輸出電壓關(guān)系表

傳感器的輸出電壓采用相同的電壓調(diào)理電路進(jìn)行降壓后，由STM32F103控制器自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，精度可以達(dá)到0.32lx，滿足設(shè)計(jì)精度要求。

5 ZigBee通信設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)自組織形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)之間無線通信，終端節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯總數(shù)據(jù)后傳輸給控制中心[11-12]，如圖5所示。

圖5 ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸流程框圖

6 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用ST公司針對STM32微控制器提供的STM32F10x標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫函數(shù)，用C語言進(jìn)行開發(fā)[13]。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，啟動(dòng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器采集溫度、濕度、光照度參數(shù)值，采樣周次為5s，經(jīng)過算法計(jì)算得到對應(yīng)數(shù)字值，在顯示器上進(jìn)行顯示，并且通過ZigBee把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給其他設(shè)備。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

7 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了顯示功能和無線通信功能，采用LCD顯示屏，對檢測到的植物培育環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示，通過ZigBee無線通信技術(shù)將植物培育環(huán)境參數(shù)傳送給控制中心，實(shí)現(xiàn)植物培育的智能化。系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)顯示如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)圖

8 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)的植物培育方式的弊端，引入嵌入式技術(shù)，融合多種傳感器獲取植物培育環(huán)境的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，并通過ZigBee技術(shù)和其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線通信，為植物培育提供了可靠的環(huán)境參數(shù)，具有較好的應(yīng)用推廣前景。