基于STM32單片機的農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘?要：不同的農作物對生長環(huán)境的溫濕度需求各不相同，溫濕度的高低均會對其生長產生較大影響。本文針對此問題開發(fā)設計了一種基于STM32F103單片機的農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細闡述了系統(tǒng)硬件電路設計和軟件程序設計，通過無線傳感器網絡技術，可以實時、連續(xù)地監(jiān)測通過溫濕度采樣模塊獲取農田土壤溫濕度的變化情況。根據采集到的土壤溫濕度數(shù)據，進行精細化管理灌溉，提高農田的利用效率和產出水平。

關鍵詞：STM32F103單片機；溫濕度監(jiān)測；無線監(jiān)測；智慧農業(yè)

隨著我國大批量標準化農田的建成以及農業(yè)生產的現(xiàn)代化，農田土壤監(jiān)測成為農業(yè)生產的重要組成部分。農田土壤的溫濕度是農業(yè)生產中非常重要的參數(shù)，農田土壤溫濕度對于影響作物的光合作用和蒸騰作用，以及控制土壤微生物活動有著重要的作用，它直接影響著作物的生長發(fā)育和產量。目前傳統(tǒng)的農田土壤溫濕度檢測利用定期到田間進行采樣和測試的方法來進行農田土壤溫濕度檢測。

傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測方法需要人工采樣和實驗室測試，耗時耗力且成本較高，本文設計了一種農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)。農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)通過無線傳感器網絡技術，可以實時、連續(xù)地監(jiān)測通過溫濕度采樣模塊獲取農田土壤溫濕度的變化情況。通過遠程監(jiān)測系統(tǒng)隨時獲取土壤溫濕度數(shù)據，并根據數(shù)據進行精細化管理灌溉，提高農田的利用效率和產出水平。

1?系統(tǒng)總體方案設計

STM32F103單片機為系統(tǒng)總體設計的主控芯片，再通過外部電路實現(xiàn)其他各部分功能，主要包括溫濕度采集模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、OLED顯示模塊、ESP8266?WiFi模塊、報警模塊、水泵灌溉模塊、按鍵模塊、電源模塊，系統(tǒng)結構如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作流程如下：首先，用戶通過按鍵設定一個標準值。其次，傳感器會采集土壤的溫度和濕度數(shù)據，以及環(huán)境的溫度數(shù)據。這些數(shù)據經過模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字電平信號，然后被送入單片機進行處理，最終單片機輸出相應的溫度和濕度數(shù)值，OLED顯示屏顯示數(shù)值，ESP8266模塊進行無線數(shù)據通信，STM32F103單片機根據處理結果將控制信號輸出至三極管驅動模塊，三極管驅動水泵實施灌溉，直至土壤濕度保持在給定區(qū)間。

2?系統(tǒng)硬件組成及設計原理

2.1?STM32F103模塊簡介

農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設計選擇使用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板。以STM32F103C8T6芯片為核心，64K×8bit的Flash，20K×8bit的SRAM，溫度傳感器通道ADC_Channel_16和內部參考電壓通道ADC_Channel_17，4個16bit定時器/計數(shù)器，分別為TIM1、TIM2、TIM3、TIM4，2個看門狗定時器（獨立看門狗IWDG、窗口看門狗WWDG），2個IIC，2個SPI，3個USART，1個CAN，內部8MHz時鐘HSI最高可倍頻到64MHz，外部8MHz時鐘HSE最高可倍頻到72MHz。STM32F103C8T6單片機主要處理土壤溫濕度傳感器模塊傳入的數(shù)字電平信號，通過LCD顯示屏顯示數(shù)據，并且輸出控制電平至三極管進行繼電器連接水泵的控制。最終通過串口通信與ESP8266模塊進行數(shù)據傳輸。其低電壓、高性能微處理和快速可擦除字節(jié)特點被廣為應用。它非常簡單、方便，易于使用，體積小。在醫(yī)療機構和工業(yè)生產中廣泛應用于實時控制、停車場、計算機外圍設備和通信設備等各個領域。STM32F103C8T6芯片管腳圖如圖2所示。

2.2?報警模塊簡介

該報警電路使用蜂鳴器來報警，因為蜂鳴器在用法上類似于家用電器中的喇叭。蜂鳴器通常工作電流比較大，

電路中的TTL電平基本驅動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大電路才行。一個管腳很難驅動蜂鳴器發(fā)出聲音，因此在電路中用上了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。

蜂鳴器的正極性的一端連接到5V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基級由單片機的P1.5管腳通過一個與非門來控制，當P1.5管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當P1.5管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。這里與非門是作為非門來用的，采用一個非門的作用是為了防止系統(tǒng)上電時蜂鳴器發(fā)出聲音，系統(tǒng)復位以后，I/O口輸出高電平。

該模塊示意圖如圖3“蜂鳴器報警電路”所示。這樣的設計可以用于報警系統(tǒng)的聲音提示，通過單片機的控制來實現(xiàn)蜂鳴器的開關。

2.3?OLED顯示模塊簡介

OLED（Organic?Light?Emitting?Diode）也叫有機發(fā)光二極管。該顯示模塊被認為是未來平面顯示器領域具有巨大潛力的新型應用技術。由于OLED具有自發(fā)光特性，因此無須另外的背光源。其優(yōu)勢包括高對比度、超薄、廣闊視角、快速響應時間、可實現(xiàn)柔性曲面板應用、廣闊的工作溫度范圍以及簡化的結構和制程。因此，OLED在顯示效果上通常優(yōu)于其他技術。在這里，該系統(tǒng)使用了0.96英寸OLED顯示屏，提供黃藍、白、藍三種顏色選項，分辨率為128×64。提供多種連接方式，包括3線或4線串行SPI接口，以及2線控制的IIC接口。該OLED顯示模塊支持IIC及SPI通信方式，在此該系統(tǒng)屏幕功能菜單復雜對于數(shù)據的傳輸速率要求較高，所以選擇七針SPI通信方式OLED模塊。OLED顯示模塊電路如圖3“OLED顯示模塊電路”所示。

2.4?濕度模塊簡介

傳感器（Transducer）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

在醫(yī)學、工程、汽車、工業(yè)、環(huán)境、科學研究和日常生活等領域都有廣泛的應用。常見的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器、傳感器信號線等。

濕度采集可以通過濕度傳感器實現(xiàn)，將濕度傳感器視為可調電阻器。當濕度傳感器感知到溫濕度時，其電阻值會發(fā)生變化，濕度最小時的電阻值為10K。隨著濕度變化，電路輸出電壓也隨之改變。通過調節(jié)電阻值大小，可以得到所需的電壓輸出，以滿足電路的需要。本次設計所采用的是土壤濕度傳感器YL69，如圖3“土壤濕度傳感器電路”模塊所示。

2.5?溫度模塊簡介

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，由美國公司Dallas?Semiconductor制造。它采用了一線數(shù)字接口（OneWire?Interface），可以直接通過一個數(shù)據線來傳輸數(shù)據和供電。DS18B20具有高精度、高分辨率和廣泛的工作溫度范圍，使得它在各種應用中被廣泛使用。

DS18B20的主要特點包括：（1）溫度測量范圍：-55℃到+125℃。（2）分辨率可調：9位、10位、11位或12位。（3）采用直接數(shù)字輸出，無須校準。（4）提供了唯一的64位ROM編程地址，可以在系統(tǒng)中輕松識別多個傳感器。（5）供電電壓范圍：3.0V到5.5V。（6）內置溫度報警功能。

DS18B20廣泛應用于溫度監(jiān)控、環(huán)境控制、家用電器、醫(yī)療設備等領域。它的性能穩(wěn)定可靠，體積小巧，安裝使用方便。與模擬溫度傳感器相比，它省去了與微處理器接口連接時所需的A/D轉換和復雜的外圍電路，從而簡化了系統(tǒng)結構，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且縮小了體積。

2.6?DHT11模塊簡介

DHT11是一種數(shù)字溫濕度傳感器模塊，其硬件工作原理如下：當DHT11模塊接收到讀取指令后，它會主動開始工作。首先，DHT11通過內部的溫濕度傳感器感知環(huán)境的溫度和濕度，并將其轉化為電信號。然后，模塊通過單總線數(shù)字信號將這些數(shù)據傳輸給外部的控制器或微處理器。在數(shù)據傳輸過程中，DHT11模塊使用一種特殊的協(xié)議，包括起始信號、數(shù)據位和校驗位。控制器或微處理器接收到數(shù)據后，可以對其進行解析和處理，從而實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的監(jiān)測和控制。DHT11模塊連接電路如圖3“DHT11模塊”所示。

2.7?水泵驅動電路簡介

本模塊采用1k電阻R4對電平進行限制，當單片機給繼電器高電平，8050三極管導通，此時VCC和GND導通，10k電阻在該電路中為上拉電阻（Pullup?resistors），8550此時正常工作，從而通過程序來控制水泵開啟和關閉。水泵驅動電路如圖3“水泵驅動電路”所示。

2.8?ESP8266模塊簡介

ESP8266是一款低成本WiFi模塊，由中國的芯片制造商樂鑫信息科技（Espressif?Systems）開發(fā)。它集成了一個完整的WiFi網絡功能，能夠輕松地將各種設備連到WiFi網絡，實現(xiàn)無線通信。ESP8266可以獨立運行，也可以作為從設備與主MCU（微控制單元）配合使用，廣泛應用于物聯(lián)網（IoT）設備、智能家居、無線通信等領域。

ESP8266集成了一顆32位的Tensilica?L106?RISC處理器，內置了TCP/IP協(xié)議棧，并支持STA（Station）和AP（Access?Point）兩種工作模式。它可以通過串口或SPI接口與其他設備進行通信，可廣泛應用于物聯(lián)網、智能家居、工業(yè)控制等領域。ESP8266的主要特點包括：支持802.11b/g/n無線標準，可以連接到現(xiàn)有的WiFi網絡。內置TCP/IP協(xié)議棧，支持多種網絡協(xié)議，如HTTP、FTP、MQTT等。提供GPIO引腳，可方便與外部傳感器、執(zhí)行器等設備進行連接?？赏ㄟ^AT指令或編程方式進行控制和配置。它具有低功耗特性，適合于電池供電的應用場景。ESP8266電路如圖3“水泵驅動電路”所示。

3?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件程序部分如下，首先開始進行程序OLED模塊初始化、ESP8266模塊初始化、DHT11模塊初始化、土壤溫濕度模塊初始化，然后進行清屏函數(shù)，清空OLED屏幕顯示對當前土壤溫濕度以及環(huán)境溫濕度信息進行顯示，隨后進行按鍵檢測，輸出上下限，進行上下限判斷，打開繼電器對水泵進行開關控制。ESP8266上傳數(shù)據，進行遠程監(jiān)測控制。整個主流程圖如圖4所示。

結語

本系統(tǒng)是基于STM32F103單片機的農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過Proteus仿真軟件仿真了農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)的控制和調試，實現(xiàn)了農田土壤溫濕度和環(huán)境溫度數(shù)據的無線監(jiān)測、采集及控制。該系統(tǒng)體積小、功耗低、操作簡單、擴展能力強，在現(xiàn)代農業(yè)溫濕度控制及灌溉系統(tǒng)中具有較強的實用價值。

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基金項目：楊凌職業(yè)技術學院2021年科技創(chuàng)新項目（ZK2156），項目名稱：農田土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

作者簡介：康晉（1989—?），男，漢族，陜西楊凌人，碩士研究生，副教授，主要研究方向：數(shù)據通信技術。