基于STM32的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 洋，宋振凱，趙 婧

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境愈加重視，環(huán)境監(jiān)測(cè)也更加重要。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器元件的發(fā)展，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了更大的突破，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得更加智能，實(shí)時(shí)性和有效性得到了顯著提高［1］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32為控制核心，由數(shù)據(jù)采集和控制兩部分組成，使用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及單片機(jī)控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和處理工作。其中，多種環(huán)境參數(shù)的采集，主要包括溫度、光照、濕度、CO2濃度等參數(shù)［2］；控制部分對(duì)異常環(huán)境做出處理，可以有效地將環(huán)境參數(shù)調(diào)整到正常值。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元包括用于溫濕度測(cè)量的傳感器、檢測(cè)環(huán)境CO2濃度的傳感器、檢測(cè)光線亮度的光敏電阻傳感器［3］，數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 光線亮度采集模塊

該模塊主要用于光線亮度檢測(cè)，主要用于對(duì)環(huán)境的光亮度檢測(cè)。光敏電阻模塊采集環(huán)境光線亮度參數(shù)后，存入STM32采集模塊，采集模塊通過(guò)藍(lán)牙傳輸模塊將獲得的數(shù)據(jù)傳遞到控制部分進(jìn)行判斷，從而決定是否進(jìn)行光遮擋、光補(bǔ)償或不做處理。4針光敏電阻傳感器模塊的工作電壓3.3 V~5 V；輸出形式為DO數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出(0和1）和AO模擬電壓輸出；設(shè)計(jì)中使用寬電壓LM393比較器，CO2傳感器的CO2SCL和CO2SDA與STM32核心板連接。

1.2 CO2濃度采集模塊

SGP30是一款數(shù)字多像素氣體傳感器，具有數(shù)字I2C接口、溫度控制微型熱板和兩個(gè)預(yù)處理的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號(hào)。主要用于采集環(huán)境中的CO2濃度，當(dāng)CO2濃度過(guò)高時(shí)，控制繼電器關(guān)閉CO2釋放設(shè)備；當(dāng)CO2濃度過(guò)低時(shí)，通過(guò)繼電器打開(kāi)CO2補(bǔ)償器開(kāi)關(guān)，增加CO2濃度。由于氣體類傳感器比較容易受環(huán)境影響，測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，初始化完成后，剛開(kāi)始的讀出數(shù)據(jù)波動(dòng)會(huì)比較大，一段時(shí)間后逐漸趨于穩(wěn)定。SGP30模塊開(kāi)機(jī)需要一定時(shí)間的初始化，在初始化階段讀取的CO2濃度為400 ppm，TVOC為0 ppd且恒定不變。因此，上電后，每隔一段時(shí)間讀取一次SGP30模塊的值，如果CO2濃度為400 ppm，TVOC為0 ppd，發(fā)送“正在檢測(cè)中...”，直到SGP30模塊初始化完成。

1.3 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器的SHT20 SCL和SHT20 SDA接口與STM32核心板連接，主要功能是采集環(huán)境溫度和濕度兩個(gè)參數(shù)，模塊在核心板上主要實(shí)現(xiàn)溫濕度計(jì)算、溫濕度測(cè)量以及對(duì)數(shù)據(jù)的檢查。傳感器內(nèi)部設(shè)置的分辨率分別為相對(duì)濕度12位和溫度14位，不論基于哪種分辨率，相對(duì)濕度RH都可以根據(jù)SDA輸出的相對(duì)濕度信號(hào)SRH通過(guò)公式(1）計(jì)算獲得(結(jié)果以%RH表示）。

不論基于哪種分辨率，溫度T都可以通過(guò)將溫度輸出信號(hào)ST代入到公式(2）計(jì)算得到(結(jié)果以溫度℃表示）。

2 控制模塊設(shè)計(jì)

控制部分采用全彩RGB模塊、有源蜂鳴器模塊、4路5 V帶隔離繼電器模塊、SG90舵機(jī)。全彩RGB模塊主要實(shí)現(xiàn)光補(bǔ)償功能，有源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)警報(bào)功能，SG90舵機(jī)和繼電器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制?？刂贫说淖饔檬秦?fù)責(zé)接收采集端的數(shù)據(jù)，同時(shí)藍(lán)牙模塊為從機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸，如圖3所示。

圖3 控制模塊

2.1 光補(bǔ)償模塊

全彩模塊主要實(shí)現(xiàn)光補(bǔ)償功能，當(dāng)光敏傳感器采集到環(huán)境光的強(qiáng)弱后，通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送到控制模塊，控制模塊對(duì)當(dāng)前光強(qiáng)度進(jìn)行判斷，如果光強(qiáng)度較弱，則觸發(fā)RGB燈模塊增強(qiáng)光強(qiáng)。RGB SCL和RGB SDA接口與STM32核心板連接，RGB燈的數(shù)據(jù)處理與發(fā)送主要通過(guò)以下3個(gè)值的更改進(jìn)行操作：r－紅色值(0~255）、g－綠色值(0~255）和b－藍(lán)色值(0~255）。

2.2 光遮擋模塊

該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)光遮擋功能，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度過(guò)高，超過(guò)預(yù)設(shè)值，控制板驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)光遮擋功能，實(shí)現(xiàn)光亮度的調(diào)節(jié)。將舵機(jī)的AO接口和STM32核心板連接，控制電路板接收信號(hào)線的控制信號(hào)AO，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤，舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)相連，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)輸出電壓信號(hào)至控制電路板反饋，控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。

2.3 風(fēng)機(jī)、噴淋及CO2補(bǔ)償模塊

該模塊使用繼電器開(kāi)關(guān)模擬風(fēng)機(jī)、噴淋及CO2補(bǔ)償部分的開(kāi)關(guān)，可以更有效地更換、維修設(shè)備。當(dāng)環(huán)境溫濕度及CO2濃度超出系統(tǒng)設(shè)定的閾值，繼電器開(kāi)關(guān)打開(kāi)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫、噴淋系統(tǒng)增加空氣濕度，啟動(dòng)CO2補(bǔ)償系統(tǒng)增加CO2濃度。

2.4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊之間采用藍(lán)牙組網(wǎng)方式傳輸信號(hào)，設(shè)計(jì)采用HC－05藍(lán)牙模塊，將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)娇刂撇糠?，由控制部分進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及后續(xù)的操作。電路部分，將HC05＿TX(串口輸出）和HC05＿RX(串口輸入）與核心板串口收發(fā)接口連接，藍(lán)牙串口波特率需要配置為同樣的默認(rèn)值38 400。

3 系統(tǒng)流程

3.1 采集板流程

初始化藍(lán)牙(串口）、溫濕度(IIC）、光敏電阻(ADC）、CO2(IIC）；完成初始化后，系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲取溫濕度數(shù)據(jù)、光敏電阻數(shù)據(jù)、CO2數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送到輸出板。

3.2 控制板程序流程

初始化打印串口、協(xié)議；初始化1 ms的基準(zhǔn)定時(shí)器、9600波特率的串口以及數(shù)據(jù)；初始化藍(lán)牙串口、可調(diào)RGB燈、蜂鳴器報(bào)警、繼電器、舵機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)功能較強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠，成本低、操作簡(jiǎn)單方便，并具有以下3個(gè)特點(diǎn)。

(1）可以同時(shí)監(jiān)控多環(huán)境參數(shù)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器警報(bào)提示異常環(huán)境參數(shù)，控制端做出相應(yīng)的措施，以有效防止環(huán)境參數(shù)異常情況的發(fā)生［4］。

(2）設(shè)定傳感器參數(shù)范圍后，系統(tǒng)開(kāi)啟自動(dòng)控制，自行檢測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙傳輸部分及時(shí)將參數(shù)信息反饋給后臺(tái)采集配置程序，當(dāng)產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)時(shí)，控制部分通過(guò)電路對(duì)異常做出處理。

(3）將數(shù)據(jù)采集部分和控制部分分離，采用模塊化硬件設(shè)計(jì)，有利于各部分的升級(jí)和維修，極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和維修難度。

本系統(tǒng)的后期發(fā)展方向，主要有以下幾方面的思考：(1）隨著電子傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器在靈敏度、準(zhǔn)確度、反應(yīng)速度等方面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)傳感器；隨著材料技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，更加推動(dòng)了電子傳感器技術(shù)的發(fā)展［5］。因此，采用精度更高的傳感器對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)，可以達(dá)到更精確的測(cè)試結(jié)果。(2）進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度，精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。(3）優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，當(dāng)后期使用大量相同設(shè)備對(duì)大范圍環(huán)境進(jìn)行采集時(shí)，有效提高數(shù)據(jù)的利用率。(4）增加有線及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式，提高信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性，防止信號(hào)干擾過(guò)多時(shí)造成系統(tǒng)異常。