基于STM32处理器的大棚温湿度监控系统设计

安鹤峰

摘要：介绍一种基于STM32的温湿度监控系统设计方案。以基于Cortex-M3内核的STM32F103系列微处理器为核心，采用防护型温湿度数字传感器进行温湿度采集，在多组四位数码管上实时显示温度和湿度；通过Zigbee无线模块进行实时数据互通及参数设置，微处理器完成相关计算后，对放风、喷淋等设备发出指令。

关键词：温湿度监控系统；STM32处理器；设计；大棚；参数设置

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0015-03

随着微电子科技的不断发展，农业科技的智能化需求越来越高，传统直布线测量与控制方式已经无法满足需求，采用无线传输温湿度成为必然趋势。以STM32为控制核心设计温湿度控制系统，采用高精度温湿度传感器对温度进行实时测量，利用STM32核心处理器进行比对、转换等计算，使用无线模块和GPRS模块连接上位机，并通过上位机串口接收和发送数据。

1 设计方案论证

1.1 控制部分

方案1：采用STC89C51/52八位单片机实现控制。此单片机软件自由度较大，硬件成本低，但资源相对较少，需要强劲的“芯”来支持联网通信功能，这在八位机上很难实现，因此不适用于该系统。

方案2：采用当前较流行的STM32控制器。此控制器硬件资源丰富，包括多个I/O接口和SPI通讯接口，性价比很高，且便于操作。

1.2 传感器部分

方案1：采用NTC热敏电阻温度传感器和HR202湿敏电阻传感器模拟量输出，性价比较高。

方案2：采用数字温湿度传感器输出全数字化信号，有利于单片机处理和控制，且体积小、省去很多传统外围电路，但该传感器价格比传统的热敏电阻温度传感器高，且软件操作较繁琐。

1.3 联网控制部分

联网控制部分采用当前流行的Zigbee射频模块，其具有灵敏度高、反应速度快，组网能力强、安全可靠的特点。再利用GPRS模块与Zigbee局域网互联成一个整体，解决移动网络盲区覆盖的问题。

1.4 放风控制部分

采用大棚两侧放风方式。

1.5 系统框图

系统控制部分采用STM32F103系列微处理器，传感部分采用SHT15数字温湿度传感器，组成的系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 温湿度采集模块

在大棚生产中，温度和湿度是最主要的被控参数之一。其中相对湿度的测量比较复杂，需要设计信号调整电路及较为复杂的标准设定过程，且测量精度难以保证。究其原因，湿敏元件在稳定性、可靠性、非线性等方面很难达到均衡。

传感器选用SHT15数字温湿度传感器，其将工业级CMOS芯片技术与传感技术结合起来，由多个传感模块组成单片全校准数字输出温度和相对湿度。将温度传感模块、湿度传感模块、数模转换模块、信号调整、I2C接口等全部集成到传感器内，不但干扰更少，而且设备体积也更小。SHT15的内部结构见图2。

SHT15全量程标定，两线数字输出，温度测量范围为-40～+123.8 ℃，精度可达±0.3 ℃；湿度测量范围为0～100%RH，测量精度可达±2%RH；响应时间为8 s（tau63%）。

2.2 Zigbee无线模块及GPRS模块

SN102无线模块以射频模式接收和发送数据，通过SPI接口与微控制器进行数据交换、指令发送与接收。此模块可对多个大棚中的温湿控制设备进行统一的数据发送和接收，形成1个1 000～2 500 m范围的局域网络。其特性如下：1） 安全可靠。Zigbee技术采用AES-128加密算法，具有完整性检查和鉴权功能。同时，其采取的碰撞避免机制有效避免了数据接发时的竞争和冲突，且同频抗扰能力也非常出色，支持跳频及固定频率2种工作模式。2） 自组网和自愈能力强。Zigbee网络可以增加、删除或移动节点，当节点出现发送阻碍时可以自我修复，保证网络正常工作。无线人工干预可感知节点的存在，并构造成星形、树形、点对点、点对多点、MESH网络，网络深度可达到8级。3） 反应速度快。此设备发射功率可达17 dbm，深度休眠唤醒时间120 us，能够满足实时通信要求。

2.3 GPRS模块

GPRS模块采用西门子MC35。该模块可提供40线ZIP接口、SIM卡接口、标准RS232双向接口，支持EGSM900MHz/GSM1800MHz双频2种工作模式。

2.4 放风控制器

大棚卷膜两侧放风时，直流电机功率在60～100 W之间，电机双向转动，一旦棚内温度超过设置限值，电机即根据设定要求正向卷起棚膜或反向放下棚膜。T通过4个功率元件组成H桥电路，用场效应管、三极管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速，输出电流要求达到6 A。

2.5 STM32主控电路

该处理器是一款嵌入式ARM处理器，为MCU提供低成本的平台、缩减的引脚数目和较低的系统功耗。同时，其也提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。STM32主控电路是一款精简指令集计算机RISC处理器，拥有一致的指令模式和相同的指令周期，提供额外的代码效率。其增强型系列还拥有内置RAM核心，可与所有的ARM工具和软件兼容。

STM32F103系列微处理器的基本功能和特点为：1） 适合工作于-40～+105 ℃的环境，供电电压在2.0～3.6 V之间，省电模式保证低功耗的应用要求。2） 工作频率为72 MHz，内置高速存储器（高达128 K字节的内存和20 K字节的SRAM），有丰富的增强I/O端口和链接到2条APB总线的外设。51个快速I/O端口，且所有I/O口均可以映像到16个外部中断，允许5 V信号。3） 所有型号的器件都包含2个12位ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器。4） 包含先进的通信接口，即2个I2C和SPI、3个USART、1个USB、1个CAN。5） 增强型系列包括36～100脚等5种不同封装形式，不同形式的器件外设配置不尽相同。系统采用的48脚处理器如图3所示。

3 软件设计

软件程序主要分2部分：电力系统通断控制和温湿度数据采集。系统主程序的框图如图4所示。

4 结语

目前，虽然嵌入式微处理器在农业科技领域中应用广泛，但很多传统的嵌入式微处理器为8位，性能无法得到有效提升，而传统32位基于ARM的处理器需要嵌入式操作系统支持，无法使整个系统更加精炼。以Cortex-M为内核的新型微处理器不需要操作系统支持，用Keil C语言进行编程，大大减轻了设计人员的工作量。

以Cortex-M3内核的STM32F103增强型ARM处理器，结合防护型温湿度数字传感器进行温湿度采集，并在多组四位数码管上实时显示温度和湿度；通过Zigbee无线模块进行实时数据互通、参数设置等操作；微处理器完成相关计算后，对设备放风、喷淋等设备发出指令。根据大棚的实际需要调取大棚实时温湿度记录，并进行远程参数设置，可实现大棚的温湿度智能化控制管理。

参考文献

[1] 潘辉，张燕，张明，等.基于ZigBee的仓库温湿度监控系统设计[J].计算机与数字工程，2014（9）：1737-1740.

[2] 王东涛，鞠凤船.农业大棚温湿度监控系统设计[J].安徽农业科学，2010（35）：20446-20447.

[3] 蒋鼎国.基于GPRS的温室大棚温湿度监控系统的设计[J].湖北农业科学，2014（9）：2153-2155.