基于STM32的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵詞：多參數(shù)；環(huán)境監(jiān)測；傳感器；無線通信；監(jiān)控后臺

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為了科學(xué)合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)并提高生產(chǎn)效率，環(huán)境監(jiān)測的需求應(yīng)運(yùn)而生[1-3]?，F(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測帶來了新的方向，并提供了便攜、高效的解決方案。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀。該監(jiān)測儀成本低廉、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、濕度、光強(qiáng)、氣壓、CO2濃度、風(fēng)速和風(fēng)向等多個(gè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。檢測結(jié)果可以通過現(xiàn)場顯示，也可以傳輸至監(jiān)控后臺。同時(shí)，還可以設(shè)置參數(shù)異常報(bào)警，通過現(xiàn)場聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程推送的方式及時(shí)對異常信息進(jìn)行預(yù)警。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀選用STM32L431RC系列低功耗單片機(jī)作為控制核心，電源供應(yīng)選擇的是3.8V鋰電池。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際使用場景，同時(shí)選用了太陽能電池板以提高系統(tǒng)整體續(xù)航時(shí)間。通信模組方面選擇的是MC20E模塊，功耗低、工作穩(wěn)定。傳感器方面目前主要有溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光強(qiáng)傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器和氣壓傳感器。同時(shí)，系統(tǒng)集成了顯示模塊和預(yù)警模塊，能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境信息并對異常情況進(jìn)行聲光報(bào)警。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了存儲模塊，可以對環(huán)境信息進(jìn)行本地存儲，保證了環(huán)境數(shù)據(jù)的完整性。如圖1所示為多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀系統(tǒng)框圖。

1.1 主控模塊設(shè)計(jì)

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀系統(tǒng)的主控模塊為Cortex-M4內(nèi)核的STM32L431RCT6。該單片機(jī)是一款32 位超低功耗微控制器，主頻高達(dá)80MHz，內(nèi)部集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元和內(nèi)存保護(hù)單元，功能強(qiáng)大、安全穩(wěn)定。同時(shí)，它具有豐富的外部接口，能夠很好地滿足傳感器模塊、通信模塊以及顯示、預(yù)警和存儲模塊的連接需求。作為多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀系統(tǒng)的控制核心，主控模塊的功能主要包括：

1） 讀取傳感器模塊的信息并對其進(jìn)行初步處理，以得出對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)。

2） 將得到的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示和本地存儲，并通過通信模組發(fā)送至后臺。

3） 檢測環(huán)境參數(shù)的異常情況，并進(jìn)行本地預(yù)警以及向后臺推送異常信息。

1.2 傳感器模塊

1.2.1 溫濕度傳感器

溫度和濕度是影響植物生長的兩個(gè)重要環(huán)境因素，對植物的生長發(fā)育有著直接和間接的影響[4]。因此，精準(zhǔn)的溫濕度監(jiān)測是環(huán)境檢測儀的基本要求。

本設(shè)計(jì)選擇了DH11溫濕度模塊進(jìn)行溫度和濕度的測量。該模塊與主控模塊通過單總線進(jìn)行連接，輸出信號為數(shù)字信號。該模塊具有程序設(shè)計(jì)簡便、測量精度高、測量范圍大、功耗較小等特點(diǎn)，很好地滿足了系統(tǒng)的需求。

1.2.2 CO2濃度傳感器

二氧化碳（CO2） 是植物進(jìn)行光合作用的重要原料之一，其濃度對植物生長和發(fā)育有著至關(guān)重要的影響。因此，CO2濃度的監(jiān)測對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的參考意義和實(shí)用價(jià)值[5]。

本設(shè)計(jì)選擇的CO2濃度傳感器是MH-Z14A二氧化碳傳感器。該傳感器利用非色散紅外原理實(shí)現(xiàn)空氣中CO2濃度的測量，數(shù)據(jù)輸出通過串口接口。傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

1.2.3 光強(qiáng)傳感器

光強(qiáng)是影響植物生長的重要環(huán)境因素，與植物的生長速度、產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)。強(qiáng)光可以促進(jìn)光合作用，進(jìn)而加速植物生長，而低光強(qiáng)則可能導(dǎo)致光合作用效率降低，從而影響植物的正常生長[6]。

本設(shè)計(jì)選用了BH1750光照傳感器進(jìn)行光強(qiáng)測量。該傳感器通過I2C接口與主控模塊連接，光強(qiáng)數(shù)據(jù)以16位二進(jìn)制數(shù)的形式直觀展示，數(shù)據(jù)讀取方便，無須主控模塊進(jìn)行額外處理。傳感器的參數(shù)如表2所示。

1.2.4 風(fēng)速風(fēng)向傳感器

在不同的風(fēng)速和風(fēng)向條件下，植物會展現(xiàn)出不同的適應(yīng)生長特性，這些特性是植物長期進(jìn)化過程中對環(huán)境條件適應(yīng)的結(jié)果。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮風(fēng)速和風(fēng)向因素，并采取相應(yīng)的措施來保護(hù)植物免受風(fēng)害，以提高農(nóng)作物的生長效率[7]。

本設(shè)計(jì)選擇了以低慣性風(fēng)標(biāo)及精密電位器為核心的風(fēng)速風(fēng)向傳感器，實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)速和風(fēng)向的高靈敏度檢測。傳感器數(shù)據(jù)接口為ADI接口，通過主控模塊的A/D轉(zhuǎn)換模塊采集風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后生成可以進(jìn)行顯示的風(fēng)速和風(fēng)向信息。

1.2.5 氣壓傳感器

氣壓對植物生長也有不容忽視的影響，例如水分的吸收與蒸騰、植物分布等，是影響植物生理和生態(tài)分布的重要環(huán)境因子之一。了解氣壓的變化可以有效指導(dǎo)灌溉、施肥和病蟲害防治等農(nóng)事活動(dòng)[8]。

本設(shè)計(jì)選擇了數(shù)字壓力傳感器BMP180來測量環(huán)境氣壓。該傳感器提供數(shù)字信號接口，可直接將氣壓結(jié)果反饋至主控模塊，且輸出精度高、體積小，適合應(yīng)用于小型嵌入式設(shè)備中。

1.3 電源模塊

本設(shè)計(jì)選擇的供電電池是3.7V鋰電池，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的續(xù)航能力，配備了太陽能電池板來為電池充電。系統(tǒng)中部分傳感器、通信模組等需要的供電電壓為5V，而主控模塊的供電電壓為3.3V，因此需要分別設(shè)計(jì)鋰電池充電管理電路、5V穩(wěn)壓電路和3.3V穩(wěn)壓電路。具體電路圖如圖2所示。

1.4 通信模組設(shè)計(jì)

通信模組的功能是在主控模塊的控制下，將系統(tǒng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺，由后臺進(jìn)行界面展示、數(shù)據(jù)保存等。

本設(shè)計(jì)選擇的通信模組為MC20E，是一款四頻段GSM/GPRS無線通信模塊。該模塊功耗低至1.2mA，通過USART串口與主控模塊通信，程序開發(fā)簡便，支持?jǐn)?shù)據(jù)透傳模式，傳輸速度快、穩(wěn)定性高，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一款通用性很強(qiáng)的移動(dòng)通信芯片[9]。

1.5 其他模塊

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性和可靠性，多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀同時(shí)設(shè)計(jì)了存儲模塊、顯示模塊和預(yù)警模塊。存儲模塊用于在通信模組無法正常通信時(shí)保存采集到的環(huán)境參數(shù)，防止數(shù)據(jù)丟失；顯示模塊用于環(huán)境參數(shù)的現(xiàn)場顯示，在太陽能電池板可供電的情況下工作，出于功耗原因考慮；預(yù)警模塊可以對環(huán)境數(shù)據(jù)異常進(jìn)行聲光報(bào)警。

1.6 軟件設(shè)計(jì)

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀軟件設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)初始化、環(huán)境數(shù)據(jù)采集和與監(jiān)控后臺通信三個(gè)部分，軟件流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)開機(jī)上電后，首先進(jìn)行初始化。這包括與傳感器模塊的通信、設(shè)置傳感器輸出數(shù)據(jù)格式和讀取數(shù)據(jù)頻率等操作；同時(shí)與通信模組建立連接，進(jìn)行通信模組初始化。初始化完成后，通過通信模組與監(jiān)控后臺建立連接，進(jìn)行握手和對時(shí)等操作。監(jiān)控后臺可以在此環(huán)節(jié)下發(fā)新的環(huán)境預(yù)警參數(shù)，并由系統(tǒng)完成設(shè)置。環(huán)境數(shù)據(jù)采集完成后，系統(tǒng)先判斷是否需要進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)警，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控后臺。在發(fā)送環(huán)節(jié)，如果發(fā)送失敗，系統(tǒng)會先將信息保存在自身的存儲模塊中，在通信恢復(fù)正常后再將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控后臺。

經(jīng)測試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度、光強(qiáng)、氣壓、CO2濃度、風(fēng)速和風(fēng)向等多個(gè)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測和數(shù)據(jù)上傳。檢測精度滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，很好地滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的需求。

2 結(jié)論

針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的需求，本文提出了一種基于STM32的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中多種參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，且工作壽命長、工作狀態(tài)穩(wěn)定。結(jié)合監(jiān)控后臺，既可以通過大型農(nóng)場的監(jiān)控大屏進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)展示，也可以通過手機(jī)端App或小程序供個(gè)體承包戶使用。