基于STM32的大棚种植环境参数物联网监控系统.pdf

2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 种植与养殖 基于 STM32的大棚种植环境参数物联网监控系统 张吉圭 贵州城市职 业 学 院 贵州贵阳 550025 随着 社会 和 经 济 的发 展 智能化 信息化 需 求 的 增 加 近 年 来物 联网 系 统在农业 上 的应用 不 断 发 展 解 决 方 案 越来越多 集 成 度 较 高 终端 节 点功耗 高 结 构 复 杂 接 口 不统 一 网络 平台 开 发 难 度 大 成 本高 不 易 于 维 护 效率低 标准 不统 一 数据 不 能 共享 等 缺点 针 对 上 述 的 问题 设 计 一 种以 STM32F103R6微 控 制 器 为 核 心 结合 温湿 度 传感器 对 农作物 进行 温 度 和 湿 度 的 监 测 恒温 机和空 气 循 环机 来 调 节 温湿 度 通 过 ESP8266 接 入 OneNET开 放云 平台 WEB端 或 终端 设 备 能够 远 程 监 测和控 制 大 棚 的 温湿 度 1系统总体构架 基 于 OneNET的大 棚温湿 度 环境 参 数 远 程 监 控 系 统 主 要 包括 STM32F103R6主 控 制 器 恒温 机和空 气 循 环机 DHT11温湿 度 传感器 BH1750光 照 传感 器 TP Link路 由 器 ESP8266无 线 WiFi模 块 中 国 移 动 OneNET云 平台 WEB终端 设 备 系 统 构 架 如图 1 所 示 图 1 远 程监 控系 统 总 体 构架 图 STM32F103R6通 过 DHT11采 集 大 棚 的 温湿 度 BH1750采 集 光 照 强 度 ESP8266通 过 TP Link接 入 互 联网 和 OneNET云 平台 在 WEB终端 能够 显示 大 棚 的 温湿 度 光 照 强 度 及 控 制 参 数 当 环境 参 数 达 到 控 制 阈 值 能够通 过设 备 终端 或 WEB端 进行 命令 下 发 控 制 恒 温 机和空 气 循 环机的工 作来 调 节 温湿 度 温室 内 温 度 正 常 时 恒温 机 与 空 气 循 环器 不 工 作 室 内 温 度 异 常 室 外 摘 要 针 对物 联网 在应用 过 程中出 现 的 智能 硬件 服务 器和 通信 线路 等 费 用 成本 高 设 计 一 种 基于 OneNET云 平 台 的 远 程监 测 系 统 该 系 统以 STM32F103R6为 主 控 制 器 采 用 DHT11温湿度 传 感 器 BH1750光照 传 感 器 感 知 大 棚 的 环境参数 以 恒 温 机 和 空气循环 机作为 执 行 器 来 调 节 大 棚 的 温室度 应用无 线 WiFi模块 ESP8266将数据接入 OneNET云 平 台 实 现 大 棚环境 参数 的 远 程监 测 以中 国 移 动 的 OneNET云 平 台 进行 开 发 降低难度 节约成本 缩短周 期 试验结果 表明 该 系 统具 有稳 定 可 靠 监 控 效果 好 结 构 简单 检 测精 度 高 成本低 等优 点 实 现 对 大 棚温湿度环境参数 远 程监 测的 功 能 关键词 OneNET 环境参数 大 棚 ESP8266 中图分类号 TP277 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 04 0025 04 Abstract Aimingatthehighcostsofintelligenthardware serversandcommunicationlinesintheapplicationoftheIn ternetofThings aremotemonitoringsystembasedonOneNETcloudplatformisdesigned ThesystemusesSTM32103R6as themaincontroller adoptsDHT11temperatureandhumiditysensorandlightsensorBH1750tosensetheenvironmentalpa rametersofthegreenhouse takesthermostatandaircirculatorasactuatorstoadjustthetemperatureofthegreenhouse and employwirelessWiFimoduleESP8266toconnectthedatawiththeOneNETcloudplatform soastorealizetheremotemoni toringoftheenvironmentalparametersofthegreenhouse WeshoulddevelopontheOneNETplatformofChinaMobile reduce thedifficulty savethecostandshortenthecycle Thetestresultsshowthatthesystemhastheadvantagesofbeingstable andreliableandhavinggoodmonitoringeffects simplestructures highdetectionaccuracyandlowcost thusrealizingthe functionofremotemonitoringofgreenhousetemperatureandhumidityenvironmentalparameters Keywords OneNET environmentalparameters greenhouse ESP8266 基金项目 教育部科技发展中心高校产 学研创新 基金 编号 2018A05021 作者简介 张吉圭 1987 男 本 科 工程师 讲 师 研究方向 嵌入式 技术 物 联网 25 2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 温 度 正 常 时 空 气 循 环器工 作 室 内 温 度 异 常 室 外 温 度 异 常 时 恒温 机工 作 光 照 传感器通 过 监 测 光 照 的 强 度 来 实现大 棚 遮 光 和 光 照 的 需 求 达 到 对 湿 度 的控 制 进 而实现大 棚 环境 参 数的 远 程控 制 2 系统硬件设计 接 入 设 备 由 STM32F103R6单 片 机 光 照 传感器 温 湿 度 传感器和 ESP8266模 块 空 气 循 环机 恒温 机 组 成 ESP8266模 块 通 过 串 口 与 STM32F103R6处理器 连 接 恒温 机和空 气 循 环机通 过 继电 器 连 接 到 STM32F103R6处理器 温湿 度 传感器通 过 单 总 线 与 STM32F103R6处理器 连 接 光 照 传感器 由 IIC总 线 与 处 理器进行 连 接 设 备 连 接 框 图如图 2 所 示 图 2设备 连接框 图 2 1STM32最小 系统 硬件实 现 STM32F103R6最 小 系 统 主 要 包括 复 位 电 路 电 源 电 路 晶振电 路 调 试电 路 电 源 电 路 系 统 工 作 的 电 源 主 要 包括 5V的 外 围 驱 动 电 源和 3 3V的 主 控 芯 片 STM32的工 作 电 源 恒温 机 和空 气 循 环机 使 用 220V的 交 流 电 源 如图 3所 示 图 35V 3 3V电源电路 复 位 及 晶振电 路 STM32F103R6主 芯 片 低 电 平 复 位 设 计 的 电 路 中 复 位 引脚 正 常情况 为高 电 平 当 按 键 按 下 时为低 电 平 系 统 复 位 系 统时 钟 的 频 率为 72M 是 由 外 部 8M晶振 经 PLL锁 相 环 升 频 提供 系 统其他 外 围时 钟频 率经 系 统时 钟 分 频 系 统 复 位 及 晶振电 路 如图 4 图 5所 示 图 4系 统 复位电路 图 5系 统晶 振电路 2 2ESP8266无 线 WiFi电路 为使 得 数据的 互 联 能 远 程 查 看 和 操 作 温 控 系 统 设 计 以 ESP8266无 线 WiFi器 件 为 核 心 的数据传 输 模 块 连 接 中 国 移 动的 OneNET物 联网 平台 数据通 过 控 制 器 串 行 口 与 ESP8266实现 温 度 数据的传 输 及 上 传 WEB终端 通信 显示 工 作 电 路 如图 6所 示 图 6ESP8266WiFi通信 电路 2 3 恒温 机及 空气循环 机 电路实 现 大 棚 环境 参 数 远 程控 制 系 统 的 两 个 执 行器 恒温 机 和空 气 循 环机 采 用 220V的 交 流 电 源工 作 通 过 继电 器和 STM32F103R6处理器进行 连 接 硬 件 连 接 如图 7 图 8所 示 图 7空气循环 机 继电 器 驱 动 电路 图 8恒温 机 继电 器 驱 动 电路 2 4 温湿度传 感 器 及 光照传 感 器电路 温湿 度 的 采 集 采 用 DHT11单 总 线 温湿 度 传感器 通 过 一 条 总 线 与 处理器进行数据通信 连 接 具有 极 高 的 可 靠 性与 稳 定 性 成 本低 相 对 湿 度 和 温 度 测 量 抗 干扰 能 力 强 超 快 响 应 数 字 信 号 输 出 精确 校 准 超 长 的信 号 传 输 距离 等 特 点 BH1750光 照 传感器 一 种 用 于两 线 式 串 行 总 线接 口 的数 字 型 光 强 度 传感器 集 成 电 路 利用 它 的 高 分 辨 率可以探 测 较 大 范围 的 光 强 度 变 26 2021年 4期 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 智慧农业 种植与养殖 化 可 用 于 环境 光 照 参 数的 采 集 硬 件 原 理 图如图 9 图 10所 示 图 9光照 传 感 器 电路 图 10温湿度 传 感 器 电路 3 系统 软件设计 随着 通信技术的发 展 单 片 机的 功 能 也 越来越 强 大 编译 软件 代 表 性 的 有 Keil IAR CodeWarrior等 代 码 语 言 有 汇编语 言 C语 言 JAVA语 言 等 C语 言 具有 良好 的 逻辑 性 及 功 能 性 本 次 设 计 选择 STM32F103R6 作为 主 控 制 器 编 程 语 言 选 用 C语 言 编译 软件 选 用 软 件 Keil 3 1系统 软件设计结 构 框 图 整 体 的 系 统 软件 设 计 是 由 系 统 里 有着 不 同 功 能的 模 块 整 合 在 一 起 实现 系 统 的 功 能 系 统中 包括 环境 参 数的 采 集 恒温 机和空 气 循 环机的 驱 动 WiFi模 块 通信 程 序 开 关 控 制 系 统 软件 设 计 结 构 图如图 11所 示 3 2温湿度采集程序 STM32处理器 向 DHT11发 送 温湿 度 采 集 指 令 传 感器 在 收 到 命令 后 执 行 采 集 的工 作 测 量 完成 后 通 过 单 总 线 的 方 式发 送 给 处理器 完成 采 集 的工 作 其时 序 图 如图 12所 示 3 3光照采集程序 光 照 传感器 BH1750采 集 大 棚 光 照 强 度 通 过 IIC 协议 与 处理器进行通信 把 光 照 的数据传 送 给 STM32 进行分析 通 过 ESP8266无 线 WiFi模 块连 接 OneNET 云 平台 在设 备 终端 显示光 照 参 数 能够实 时 掌握 智 慧 大 棚 的 光 照 条件 为 大 棚 的 湿 度 控 制 提供 数据 3 4智能恒温控制逻辑 智 慧恒温 系 统 用 于 作物种 植 环境的 温 度 调 节 根 据 节 能环 保 的 原则 该 系 统 分 别 测 量 室 内 外 温 度 并 使 用 大 功 率 温室恒温 机和 低 功耗 空 气 循 环器 两 种 方 式实现 自动 恒温 管 理 当 室 内 温 度 超 过 客 户指 定的 正 常 阈 值 时 系 统需 根 据 温室 外 温 度 自行 决 定 启 动 恒温 设 备 由 此 实现智能 低 功耗 控 制 系 统 智 慧温室 内部 与 外 部 的 温 度 湿 度 数据 以 及 温 度 调 节 设 备 是 否 启 动 需在 云 端 实 时 显示 其 控 制 逻辑 如图 13所 示 图 13智 慧恒温 系 统 逻辑 图 4 结果 测 试 分析 数据 基 于 OneNET云 平台 的应用 管 理 网 页 提供 的 数据 可 视 化 能够 提供 WEB端 来 监 控智 慧 大 棚 的环境 参 数 还 可以 实现 远 程的控 制功 能 即 可 通 过 电脑 或 者 移 动 终端 访 问 中 国 移 动 OneNET云 平台 查 看 温湿 度 数 据的变化 及 温湿 度 的控 制 在 系 统 上 电 后 把 软件 下 载 图 11软 件 框 架 图 图 12DHT11时 序 图 下转 32页 27 2021年 4期 智慧农业 种植与养殖 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 到 STM32F103R6的 存储 器 中 复 位 后 程 序 开 始 运 行 登 录 OneNET云 平台 对 数据的 可 视 化进行 编辑 能够 在 界 面 上 显示 环境 参 数数据 并能够 把 控 制 命令 下 发 到平 台 使 恒温 机和 低 功耗 空 气 循 环机 执 行 相 应的控 制 命 令 从 而实现大 棚 环境 参 数 物 联网 监 控 系 统 5结束语 本 文 设 计 以 STM32处理器 为 核 心 的 终端 硬 件 电 路 分析了传 输 协议 完成了 软件 的 编 写 测 试 结 果 表 明 大 棚 环境 参 数 物 联网 监 控 系 统 具有 成 本低 功耗 小 监 测 精度高 开 发 周 期 短 等 优 点 该 系 统 能够实现 对 大 棚 温湿 度 进行 远 程 监 测的 功 能 在 该 系 统 上 增加 传感器 便 可以 对 更多 的大 棚 环境进行 监 测 同 时 也 可以 利用 该 平 台 下 发的 命令 对 大 棚 的 设 备 进行控 制 实现 对 大 棚 的 远 程 监 控 参考文献 1 景 希 高 国 伟 基于 PID调 节 的 恒温 控 制 系 统 J 计 算 机测量与 控 制 2021 29 4 110 114 2 刘 董 李京 慧 迟宗涛 等 基于 模 糊 PID控 制 的 控 温箱 设 计 J 传 感 器 与 微 系 统 2021 40 3 73 76 3 廖董 得 李 然 刘 婷 等 热 水 器 出水 温度 控 制 装 置及方 法 J 轻 工科 技 2021 37 3 56 57 4 闫 柏霖 庄佳 林 孙 可 心 等 PID控 制 器 在 水 温 控 制 系 统中 的应用 J 自 动化 应用 2020 8 1 2 5 程 明 滕宪 斌 陈景 泰 等 一 种单 片 机 控 制 的 水 温 测 试 系 统 J 广 州 航 海 学 院 学报 2021 29 1 67 70 6 张 光 跃 金诚谦 基于 云 平 台 设施 种 植 监 测 系 统设 计 J 中 国 农机 化 学报 2019 40 6 140 144 7 黄力 魏 文 冲 基于 OneNET云 平 台 的农业 温室 大 棚 上 限阈值 远 程 监 控 的 实 现 J 信息 与 电 脑 2020 32 1 163 165 8 李 想 李 松 基于 物 联网 技术 的农业 温室 智能监 控系 统 模型 研究 J 信息 系 统工程 2018 7 121 9 田彬彬 朱亮 孙 歆钰 基于 单 片 机农业 温室温湿度 监 控系 统 的 设 计 J 广 东蚕 业 2020 54 3 78 79 通 过 激 光 切割 亚 克 力 材 料 制 作 样 机模 型 如图 13所 示 4结束语 如 今 随着 我国 城 镇 化的 推 进 大 多 数人 回 到 家 后 只 能 被 封闭 在 空 中高高 的 鸟笼 里 只 有 透 过 窗 户 才 能 看 到 外面 的 世界 呼 吸 到新 鲜 的空 气 针 对 以 上 问题 打 造 便 携 式无人化 阳 台 花 园 让 人 近 距离 接 触 大自然 实 现了 城市 森林花 园 建 筑 基 于 Makeblock创 客 平台 的 MegaPiPro主 控 板 设 计 的智能生 态 种 植 箱 使 用 多 类 传感器 收 集 数据自动 调 节 种 植 箱 内 的环境 并 将 种 植 箱 内 的 温 度 湿 度在 数 码 管 上 实 时 显示 可以 有 效 地 对 绿 色植 物 生 长 的智能化 监 管 该 设 计 有 很 大的应用空间 其 成 本是 大 部 分 家 庭 可 以 接 受 的 价 格 具有一 定的 推 广 价 值 参考文献 1 刘 成 良 林 洪 振 李 彦 明 等 农业 装 备智能 控 制 技术研究 现 状 与发 展 趋 势 分析 J 农业机 械 学报 2020 51 1 1 18 2 高 帅 黄 超 群 丁 龙 保 等 家 用 阳 台型 农业 生 态系 统 的发 展现 状 与 建 议 J 农业 技术 与 装 备 2021 3 39 40 3 杨 冬 连 耿艳香 赵 晶 等 智能 种 植 箱 系 统 的 设 计 与 实 现 J 山西 科 技 2020 35 3 47 49 52 4 周 赵凤 邵威 邱祁 等 阳 台 农业 立 体 栽培 机 控 制 器 的 设 计 J 安徽 农业 科学 2019 47 9 189 193 5 李 军 辉 基于 Arduino 机 智 云 的 阳 台 生 态控 制 系 统 的 设 计 J 北京 农业 职 业 学 院 学报 2020 34 3 44 50 6 李 云强 基于 Arduino的 智能 温室 大 棚 的 控 制 系 统设 计 J 国 外 电 子 测量 技术 2018 37 5 114 118 7 林 相春 温室 大 棚 智能 控 制 系 统 的 研究 与 设 计 D 青岛 山东 科技大 学 2020 8 秘 立 鹏 宋 建成 王天水 等 设施 农业 温室 大 棚 网 络 型 自 适 应 控 制 系 统 的 开 发 J 农机 化 研究 2014 36 7 124 128 9 邢 希 君 宋 建成 吝伶艳 等 设施 农业 温室 大 棚 智能 控 制 技术 的 现 状 与 展望 J 江苏 农业 科学 2017 45 21 10 15 10 李 悟早 郭 术 义 任思 杰 模 糊 控 制 理 论综述 J 河南 科技 2019 11 12 15 11 ZouJ HanY SoSS Overviewofartificialneuralnetworks J MethodsinMolecularBiology 2009 458 458 15 图 13样 机 模型 上接 27页 32