基于嵌入式的农作物生长环境的监测控制系统设计.pdf

收稿日期 : 20180613* 基金项目 : 山东省高等学校科技计划项目 ( NoJ18KA129) ; 山东省职业教育教改项目 ( No2019285) ; 山东省农机装备研发创新计划项目 ( No2018YF013)作者简介 : 刘美丽 ( 1979) ，女 ， 硕士 ， 副教授 ， 主要研究方向为自动控制 、物联网 、嵌入式开发 。基于嵌入式的农作物生长环境的监测控制系统设计*刘美丽1， 2， 李曰阳1， 李 震1( 1山东农业工程学院 机械电子工程学院 ， 济南 250100;2山东交通学院 轨道交通学院 ， 济南 250357)摘 要 : 以 “农业物联网中作物生长环境层次化及其数据融合研究 ”项目 、“真实农业应用驱动下的高职电气自动化技术专业的教学模式改革与应用研究 ”项目和 “智能遥控自走式喷雾机 ”项目为依托 ， 基于山东农业工程学院课程教学改革的研究 ， 通过对我国当前农业设备发展现状和需求的分析 ， 精心设计了一款基于 STM32 微控制器的农业大棚温湿度与光照强度的嵌入式控制系统 。该系统通过 DHT11 温湿度传感器和 GY30光照强度传感器采集农业大棚的环境信息 ， 采集到的信息传输到 STM32 单片机控制中心 ， 控制中心对其进行处理并发出控制信号 ， 很好地实现了农业大棚的温湿度和光照强度的检测和控制 。该系统操作简单 ， 成本低 ， 精度高 ， 适合我国大部分地区中小型农户使用 。关键词 : 嵌入式控制系统 ; 温湿度传感器 ; 光照强度传感器中图分类号 : TP273 文献标识码 : A DOI 编码 : 10. 14016/jcnki. 10019227. 2019. 12. 141Design of monitoring and controlling system based on embeddedenvironment of crop growingLIU Meili1， 2， LI Yueyang1， LI Zhen1( 1School of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural and Engineering University， Jinan 250100， China;2School of ail Transportion， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China)Abstract: Based on the “Internet of things of agriculture crop growth environment in the hierarchical and data fusion re-search“ project， “real agricultural application driven by higher vocational teaching model reform and application of electricalautomation technology professional research“ and “ smart remote control selfpropelled sprayer and“ projects， based on theteaching reform of shandong institute of agricultural engineering research， through to the current status of development of agri-cultural equipment in our country and the demand analysis， a model based on the STM32 MCU agriculture greenhouse temper-ature and humidity and light intensity of the embedded control system is carefully designedThe environmental information ofagricultural greenhouses is collected through DHT11 temperature and humidity sensor and GY30 light intensity sensor， andthe collected information is transmitted to STM32 MCU control center， which processes it and sends out control signals， thusthe detection and control of temperature is realized， humidity and light intensity of agricultural greenhousesThe system is sim-ple in operation， low in cost and high in accuracy， and it is suitable for small and mediumsized farmers in most areas of Chi-naKey words: Embedded control system; temperature and humidity sensor; Light intensity sensor0 引言自古以来中国是农业大国 ， 温室大棚在国内应用广泛 1。农作物的生长需要合适的空气温湿度 、光照强度 、肥量 、土壤湿度等外部条件 2， 传统大棚中的这些环境参数大多数是由人来控制 34， 不但人力劳动强度大 ，效率低下 ， 效果也很不理想 。伴随着嵌入式技术的迅速发展 ， 智能大棚得到了逐步应用 ， 通过以微控制器为核心的自控系统进行大棚环境参数的自动调节 。本设计以 STM32F103ZET6 微控制器为主控芯片 ， 以 GY30 传感器和 DHT11 传感器为检测芯片进行设计 ， 实现对温室大棚环境参数进行检测和控制 。1 总体设计思路本文设计的温室大棚自动控制系统分为检测 ( 温湿度 、光照强度等数据检测 ) 、显示 、控制三部分 。其中检141自动化与仪器仪表 2019 年第 12 期 ( 总第 242 期 )测光照强度的传感器采用 GY30，检测温湿度的传感器采用 DHT11， 数据显示屏采用 ILI9341LCD。系统的总体设计框图如图 1 所示 。图 1 总体框图温湿度传感器和光照强度传感器采集温室大棚内的环境信息 ， 并将采集到的大棚环境信息传递到微控制器上 ， 微控制器对信息进行计算 、分析 、处理后向执行机构发出控制信号 ， 启动相应的执行机构 ， 并将采集到的信息显示在显示屏上 。当有需要时 ， 用户通过按键实现手动与自动控制的切换 ， 也可以通过按键调节系统设置的初始参照值 。形成一个闭环的控制系统 ， 便于实时调节大棚内作物的生长环境 。2 工作原理整个系统的工作原理示意图如图 2 所示 。当系统通电后 ， 各个子系统开始工作 ， 并且微控制器对各子系统进行监控 ， 当需要手动控制时按下相应的按键 、产生相应的按键中断转向人工控制 。当不需要人工控制时 ，检测系统将检测到的温湿度及光照强度值传递到主系统 ， 主系统将参数通过显示系统显示在 LCD 屏上 ， 并将各参数与系统预先设定范围的上下限比较 ， 当发现某参数超出预先设定的界限时 ， 发出控制信号 ， 启动相应的执行机构 ， 调整相应的参数 ， 直至参数返回设定范围 。图 2 工作原理示意图3 微控制器介绍STM32 系列微控制器具有极高的性能 、丰富合理的外设 、强大的软件支持以及全面的技术文档等优点 5，而且价格便宜 ， 所以广泛应用于各种控制系统 。本文采用的控制芯片为 STM32 系 列 的STM32F103ZET6 微控制器 ， 传感器与该微控制器的 I/O连接 ， 实现温湿度与光照强度采集 ， 由微控制器分析处理并实现控制 。STM32F103ZET6 是一款常用的增强型系列微控制器 ， 内核为 AM 的 32 位 CortrxM3 CPU，内置高速存储器 ， 能够在40 +105 的温度范围之间工作 6， 而且功耗比较低 ， 非常适合本课题的研究设计工作 。采用卷帘 、排风机等设备调节温室内的光强和温度 。快门和排气扇需要 220 V 电机驱动 ， 控制器不能直接控制 。这里采用小型电控箱驱动电机 ， 确保电路安全 。4 光照强度采集采用 GY30传感器作为光照强度的检测元件 。该传感器的光照范围为 065535lx，接近于视觉灵敏度的分光特性 。GY30与 STM32F103ZET6 连接线如图 3 所示 。图 3 GY30与 STM32 的接线图VCC 需要的电源电压为 5 V， 低功耗性能可使其工作在 3. 3 V 电压下 ， 仍然能正常工作 。GND 和 ADD 接地 ， SCL 和 SDA 端分别接 STM32 的 PB10 和 PB11 引脚 。GY30 光照强度传感器通过 IIC 进行数据传输 ， 内置16 bit的模数转换器 7， GY30 检测到光照后 ， 将数据转换为电压值 ， 然后经模数转换器转换为 16 位数字形式的数据 ， 直接输出 ， 不需要经过复杂的计算和算法过程 。光照强度数据采集电路图如图 4 所示 。图 4 GY30数据采集电路5 温湿度采集DHT11 传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 8。该传感器具有一个 NTC 测温元件和一个电阻式感湿元件 9， 它具有品质优良 、反应快 、超长的信号传输距离 、卓越的长期稳定性 、抗干扰能力强 、性价比高等优点 。其湿度测量范围为 20%90%H， 误差不超过 10%H， 可温度测量范围为 050 ， 误差不超过 4 。数据采集电路原理图如图 5 所示 。图 5 DHT11 数据采集电路6 数据通信单片机和传感器的组合需要特定的通信协议 ， 使两者能够进行数据交换 。241基于嵌入式的农作物生长环境的监测控制系统设计 刘美丽 ， 等61 GY30 数据传输STM32 与 GY30 传感器之间传输数据采用 IIC 通信方式 。IIC 总线有两种总线结构 。其中一行 SDA 称为数据线 ， 另一行 SCL 称为时钟线 。IIC 总线没有专用数据线 、控制线和地址线 。所有连接到 IIC 总线的设备都有自己的地址作为标识来标识每个设备 。GY30传感器与 IIC 总线的接口原理如图 6 所示 。图 6 GY30数据传输接线62 DHT11 数据传输单总线通信采用信号线传输时钟和数据 ， 是双向数据传输 。当单个总线中的一个芯片开始工作时 ， 其他设备暂时与总线断开连接 ， 只参与这一次通信 。DHT11 温湿度传感器通过单总线通信将采集到的信息传输给单片机 10。一次完整的数据采集传输包括 8 bit 湿度整数数据 、8 bit 湿度小数数据 、8 bit 温度整数数据 、8 bit 温度小数数据和 8bit 校验位 ， 即完成一次完整的数据采集共传输 40 bit 数据 。数据正确传送时按照这个顺序显示结果的末 8 位 ， 其中 ， 小数部分用于扩展 ， 此处不使用 ， 所以读数为 0。7 实验数据本系统采用 ILI9341 液晶显示屏 ( LCD) 对采集的信息进行实时显示 ， 采集结果直观 地 显 示 在 屏 幕 上 。ILI9341 是带电阻的 32 寸薄膜晶体管液晶显示器 ( ThinFilm TransistorLiquid Crystal Display， TFT LCD) ， 具有低压 、微功耗特性 ， SPI 串口 ， 输入电压在 2. 83. 3 V 范围 ，分辨率为 240320， 65 kB彩色 ， 在嵌入式控制系统中得到了广泛的应用 。实验测试数据结果如图 7 所示 。检测到的当前温度为 26 ， 湿度为 48%， 光照强度为17lx， 实验结果真实可靠 。图 7 实验测试结果8 结论通过 GY30光照强度传感器 、DHT11 温湿度传感器和 STM32 微控制器设计了一款温室大棚空气温湿度及光照强度的自动控制系统 。完成了参数的自动检测 ，并根据检测数据与预先设定的参照值的上下限进行对比完成自动控制 。监测数据通过 ILI9341LCD 显示屏实现数据的实时显示 。用户可以通过按键实现手动控制温湿度及光照强度参数以及调节系统初始设置的参照值 。通过实际测试 ， 传感器采集的信息较为准确 ， 反应灵敏 ， 微控制器能够进行准确控制 ， 数据准确可靠 ， 精度高 。参 考 文 献 1 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 : 安徽大学 ， 2016 2 宋卫海 ， 刘美丽 基于 STM32 的 PM25 空气检测系统的设计 J 山东农业工程学院学报 ， 2019， 36( 01) : 4144 3 蒋鹏飞 ， 曹伟 ， 董巍 远程农业大棚监控系统设计 J 自动化与仪表 ， 2016，( 2) : 1216 4 高伟民 基于 ZigBee 无线传感器的农业灌溉监控系统应用设计 D 大连 : 大连理工大学 ， 2015 5 王博 ， 刘忠富 ， 庄婧昱 ， 等 基于 STM32 的无线温室大棚控制系统设计 J 电子测量技术 ， 2017，( 6) : 4852+63 6 刘俊岩 ， 张海辉 ， 胡瑾 ， 等 基于 ZigBee 的温室自动灌溉系统设计与实现 J 农机化研究 ， 2012， 34( 1) : 111114 7 Liu Meili， Embedded Automatic Control System for Temper-ature， Humidity and Light Intensity in Agricultural Green-houses， C / /Proceedings of the 2nd International Sympo-sium on Computer Science and Intelligent Control， Septem-ber， 2018 8 Lu H G ， Li C Y ， Jiang J P Application of IntelligenceControl in Agriculture Greenhouses J Applied Mechanicsand Materials， 2015， 719720: 293297 9 Sivagami A， Hareeshvare U， Maheshwar S， et alAutomatedIrrigation System for Greenhouse Monitoring J Journal ofthe Institution of Engineers， 2018，( 2) : 19 10 Lafont F， Balmat J F， Pessel N， et alA modelfree controlstrategy for an experimental greenhouse with an applicationto fault accommodation J Computers Electronics in Ag-riculture， 2015， 110( C) : 139149 11 李亚利 现代农业大棚中环境监测系统的设计与实现 D 北京 : 华北水利水电大学 ， 2016 12 Prabhu BEnvironmental Monitoring and Greenhouse Controlby Distributed Sensor Network J International Journal ofAdvanced Networking Applications， 2016 13 莫先 基于 STM32 单片机家电控制及家居环境监测系统设计与实现 D 重庆 : 重庆理工大学 ， 2016 14 宋卫海 ， 刘美丽 ， 邢建平 嵌入式系统的设计 、开发与应用 M 延边大学出版社 ， 201808 15 薛军娥 ， 赵敏 ， 丁长明 ， 等 一种基于 STM32F103ZET6 芯片的通用工业控制核心板 : ， CN 204215181 U P 2015 16 刘永琦 基于 msp430f5529 和 DHT11 的温湿度检测系统的设计 J 科技展望 ， 2016， 26( 3) 17 倪天龙 单总线传感器 DHT11 在温湿度测控中的应用 J 单片机与嵌入式系统应用 ， 2010， 10( 6) : 6062 18 Gay W WDHT11 Sensor J Experimenting with aspberryPi， 2014: 113 19 刘博 基于 BH1750 光照强度数据采集系统的设计 J 河南科技 ， 2016，( 13) : 2728 20 张才忠 WEB 前端开发技术 M 延边大学出版社 ，2019，( 5) 341自动化与仪器仪表 2019 年第 12 期 ( 总第 242 期 )