基于STM32单片机的温室环境监测系统设计.pdf

2018 年第 5 期 61 方案与应用 与 杨紫含 * 沈王姚 苏和平 覃 浪 范丽琴 喻伟闯 * 摘 要 为监测温室大棚内的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等参数，设计了一套基于无线通信的温室大棚数 据采集系统。系统以单片机作为主控模块，多个传感器采集温室大棚里的环境参数，采用无线射频模块 对温室环境进行无线实时监测，并显示给用户，以便用户调节温室大棚的环境因子。该系统具有实时性 好、稳定性强、可视化强、成本低、便于扩展和集中式监控等特点，可以广泛地应用于室内农作物种植 管理。 关键词 温室大棚；无线通信；数据采集；单片机 doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2018.05.016 * 湖北民族学院信息工程学院 湖北恩施 445000 * 湖北民族学院科技学院 湖北恩施 445000 基金项目 湖北民族学院大学生创新创业训练计划项目 （2016CX110） 0引言 随着我国农业的快速发展，温室大棚不断地扩大，逐渐 走向现代化，对温室大棚内的环境因素监测的要求也就越来 越高 1 。在农作物的生长过程中，其生长和产量受到温度、 湿度、CO 2 浓度、光照强度等很多环境因素的影响 2 。由于 温室大棚的分散性、区域化较强，给环境数据采集带来诸多 困难，为此设计出一种基于STM32单片机和nRF24L01无线传 输模块的温室监测系统，实现远距离条件下对温室环境信息 的监测。通过本系统可以监测到温室内的各项我们需要关注 的物理参数，然后对农作物的生长状态进行较合理的、动态 的分析，帮助农主观察农作物的生长状态来提高农业品的数 量和质量 3 。 1系统总体设计 温室大棚环境监测系统由温湿度传感器、光照检测传感 器、CO 2 检测传感器来完成对环境因子的数据采集，所采集 的数据直接交由处理器STM32F103处理，处理之后的数据由 无线模块nRF24L01来实现无数据的线传输，最终在电脑终端 显示 4 。系统总体框图如图1所示： STM32单片机 温湿度传 感器 光照检测 传感器 CO2检测 传感器 无线设备 电脑 终端 图1 系统总体框图 2018 年第 5 期 62 方案与应用 与 2系统硬件设计 2.1 主控制器模块 系统的微处理器模块选用STM32F103ZET6，它是STM32 家族中一款增强型系列的单片机，使用高性能的32位 Cortex-M3的内核，工作频率为72MHz，具有丰富的增强I/O 口和连接到两条APB总线的外设，综合性能好 5 。 2.2 温湿度检测模块 图2 DHT11测量电路 温湿度检测模块采用DHT11数字温湿度传感器，它是一 款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它采用专 用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的精度、分 辨率和可靠性，采用单线制的串行接口将所得的数字信号送 至处理器 6 。DHT11的测量电路如图2所示。 2.3 光照强度检测模块 光照强度检测模块采用不区分光源数字型光强传感器 BH1750，它能根据收集的光线强度数据对环境检测，具有1 至65535lx的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。 OSC为内部的振荡器提供内部工作时钟，通过相应的指令操 作即可读取内部存储的光照数据。当内部的接近人眼反应的 高精度光敏二极管检测到外部光照时，通过集成运算放大器 将PD电流转换为PD电压，通过AD转换获得16位数字量， 利用两线式串行总线来实现与STM32连接的建立，完成数据 传输 7 。图3为光强传感器的测量电路。 图3 BH1750测量电路 2.4 二氧化碳浓度检测模块 MG811型二氧化碳气体传感器对二氧化碳有较高的灵 敏度和选择性等优点，可测的数据范围为0-10000ppm 8 。 MG811采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气、 碳酸盐、NASICON。其工作原理如下：当传感器置于二氧化碳 气氛中时，将发生以下电极反应： （1）负极：2li+CO 2 +1/2O 2 =LiCO 3 ; （2）2Na+1/2O 2 +2e-=Na 2 O; （3）LiCO 3 +2Na=Na 2 O+2Li+CO 2 。 传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能 斯特方程：MEF=Ec-(R*T)/(2F)ln(P(CO 2 ) 上式中：P(CO 2 )是CO 2 分压，Ec为常量，R表示气体常量， T表示绝对常量，其单位是K，F为法拉第常量。在不同的浓 度下将会输出不同的电势，并通过I 2 C协议进行数据的输入 和输出。 2.5无线通信模块 采用nRF24L01芯片是一款新型单片RF收发一体器件， 工作于2.42.5 GHz ISM频段。内置频率合成器模块、功 率放大器模块、振荡器模块、调制器模块等功能模块组成， 并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频 道可通过编程进行配置。nRF24L01功耗很低，在-6dBm的 功率发射时，工作电流大约9mA；接收模式时，工作电流约 为12mA；具有掉电模式和待机模式两种低功耗工作模式，使 设备更加节能。nR F24L01采用GFSK调制，具有自动应答和 自动再发射功能，片内自动生成报头和CRC校验码的特性。 nRF24L01的工作模式见下表1。 2018 年第 5 期 63 方案与应用 与 表1 nRF24L01工作模式 nRF24L01 所处模式 PWR_UP 位状态 PRIM_RX 位状态 CE引脚 电平 FIFO 寄存器 状态 接收模式 1 1 1 - 发送模式 1 0 1 数据在TX FIFO 寄 存器中 发送模式 1 0 10 停在发送模式，至 数据发送完 待机模式II 1 0 1 TX FIFO 为空 待机模式I 1 - 0 无数据传输 掉电模式 0 - - - 3 系统软件设计 系统软件设计是在系统初始化之后，软件实现单片机与 传感器之间的数据交换，单片机对所采集的物理信息进行处 理，然后编程实现单片机与无线通信模块之间的信息传递， 并显示在电脑终端 9 。系统软件设计的流程图如图4所示。 初始化 温湿度、光照强度、CO 2 浓度检测 数据处理 数据发送 终端显示 开始 结束 图4 软件设计流程图 4 结语 本系统利用单片机技术，将传感器技术和无线通信技术 相结合，对主要影响植物生长的环境因子温度、湿度、光照 强度、CO 2 浓度进行及时测量,并提供实时数据查询功能。 整个系统能够安全、可靠、实时、全面、高效地将温室大棚 环境信息展现在管理人员的面前,方便工作人员对相关环境 因子进行调控,极大地提高农作物生长管理效率。 参考文献： 1李立扬,王华斌,白凤山.基于ZigBee和GPRS网 络的温室大棚无线监测系统设计J.计算机测量与控 制,2012,20(12):3148-3150. 2贾宝欣.一种基于无线传感网的温室大棚环境监测系统 设计D.大连海事大学,2015. 3樊健.基于物联网平台的温室大棚监测和控制系统设计 D.安徽大学,2016. 4张慧颖.基于物联网的温室大棚智能监测系统设计J. 湖北农业科学,2014,53(14):3402-3406+3411. 5杨永超,谭晓娥,刘晓妤.一种简易直流电子负载的设 计J.湖北民族学院学报(自然科学版),2014,32(02):203- 205+221. 6刘俊宏,裴翀,卢会国,李从英.温室大棚气象环境监 测网络系统设计J.农学学报,2014,4(05):90-95. 7郭亮.基于嵌入式技术和无线传感技术的大棚温室参数 监测系统D.沈阳工业大学,2012. 8辛艳辉,袁合才.基于单片机和TC35i的温室大棚智能 监测系统设计J.安徽农业科学,2011,39(13):8093-8094. 9牛青松,胡永强,邓西金,李积雲.基于无线传感 器网络的温室大棚环境监测系统设计J.安徽农业科 学,2016,44(24):235-237+243. 【作者简介】 杨紫含（1997-），女，汉族，湖北省仙桃市人，湖北民 族学院信息工程学院创新中心学生，主要从事智能控制研究； 喻伟闯（1982-），通信作者,男，硕士，主要从事智能 控制、嵌入式研究。 （收稿日期：2018-04-18）