基于STM32和ZigBee的小型温室环境控制系统设计

2017-06-30陈高锋熊刚龙建明何国荣张争

江苏农业科学 2017年8期

陈高锋+熊刚++龙建明++何国荣++张争刚

摘要：针对目前小型温室管理运行方式较为落后、自动化程度较低等情况，介绍1种以STM32控制器为核心，结合ZigBee无线传感器技术和全球移动通信系统（GSM）无线通信技术，由ZigBee无线传感器网络、STM32控制中心、手机控制终端、执行机构等构成的温室环境控制系统，阐述其工作原理、系统整体结构、软硬件设计方法，进行装配调试并进行实地测试。测试结果表明，该控制系统具有工作稳定可靠、安装操作简便等特点，完全能够满足小型温室环境控制的需要。

关键词：STM32；ZigBee；温室；控制

中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）08-0191-05

陕西地处我国中纬度地区，东西较窄，南北狭长。南为秦巴山地，中为关中平原，北为黄土高原，属大陆性季风气候。陕西农业自然资源在全国居中游偏上地位，其光照充足，昼夜温差大，自然条件优越，比较适宜发展设施农业。近些年，陕西先后出台了一系列政策措施，鼓励引导设施农业的发展。形成了陕北地区以日光温室为主，关中地区精心打造现代农业产业园区，建设代表现代农业发展的智能设施农业，陕南地区以塑料大棚为主要发展模式[1]。在设施农业中温室大棚占70%以上，这些温室大棚中，政府企业投资兴建的，其规模往往较大，基本建有先进的管理控制系统，而农民自己建设的则规模较小，由于成本原因，往往都没有建设管理控制系统，农民通常凭眼睛观察或简易的工具测量环境参数，通过手动控制相关设备调节环境参数。这样的测量及控制方式精度低、速度慢、易受外界环境干扰。因此，设计一种适合小型温室需要、安装方便、操作简单、成本低廉的环境控制系统非常有必要。

1系统功能与结构

本系统从结构上分为数据采集部分、主控中心、数据传输部分、执行机构部分。数据采集部分主要由ZigBee无线传感器网络构成，该无线传感器网络由终端节点、路由器节点、协调器节点组成。其中终端节点上连接有温湿度传感器、光照传感器、CO2 传感器，主要实现数据的采集，采集好的数据通过无线网络传送给路由器节点，路由器节点将多个终端节点传送过来的数据整理后传送到协调器节点，协调器节点再将收到的多个大棚送来的数据整理后传送至主控中心。主控中心主要实现对协调器传送来的数据进行显示、存储，设定监测数据的上下限，通过判定监测数据是否超限，决定是否向执行机构发送控制信号、是否启动声光报警，通过全球移动通信系统（GSM）模块向指定用户手机发送信息以及接收来自用户手机的信息。数据传输部分由GSM模块和无线移动网络组成，主要实现将主控中心的数据传送给用户手机，以及将用户手机的信息传送给主控中心。执行机构由加热、通风、补光、制冷等设备组成，主要实现当主控中心发来指令后开启或关闭相关设备。系统整体结构如图1所示。

2系统硬件设计

2.1终端节点硬件设计

终端节点主要实现数据的采集，其功能框如图2所示，主要由CC2530核心模块、温湿度传感器、CO2 传感器、光照传感器、电源模块、复位模块、无线发射模块等组成。温湿度传感器选用广州奥松公司生产的DHT11数字式传感器，能测量20%～90%的相对湿度、0～50 ℃的温度[2-3]，能满足温室的测量需要，采用单总线方式与CC2530控制器进行数据通信，实际应用中加上正负电源线即可使该传感器正常工作[4]。

光照传感器选用BH1750FVI数字型光照度传感器集成电路，采用两线式串行总线接口，输入光范围为1～65 535 lx，无需其他外部件，最小误差变动在±20%，具有体积小、灵敏度高、功耗低、稳定性强的特点[5]。CO2传感器选用MH-Z14A，是一款通用智能小型二氧化碳气体传感器，它利用非色散红外（NDIR）原理对空气中的CO2进行探测，选择性和无氧气依赖性较好，内置温度补偿，输出数字信号，直接与控制器相连接。

终端节点使用2节9 V电池并联提供电源，经LM2596S开关电压调节器2级变化，分别输出5.0、3.3 V的电压，分别供外部传感器、CC2530核心模块使用。LM2596S是降压型电源管理单片集成电路，输入直流电压范围3.2～40.0 V，可调输出电压范围1.2～37.0 V（±4%），输出线性好且负载可调节，输出电流可高达3A，具有过热保护和限流保护功能，功耗小，效率高，外围电路简单。为了节省电能，每隔10min采集1次传感器数据，其余时间处于休眠状态。终端节点电源电路如图3所示。

2.2主控节点硬件设计

主控节点是系统的控制核心，其功能框如图4所示，主要实现采集数据的收集、存储、分析、显示、超限报警、传输、执行机构驱动等功能，由主控芯片、电源电路、复位电路、键盘电路、时钟电路、GSM模块、显示电路、报警电路、存储电路、执行机构等部分组成。主控芯片选择STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的精简指令集计算机（RISC）内核，工作频率为72 MHz，内置高速128 kB的闪存和20 kB的静态随机存取存儲器（SRAM）存储器，具有丰富的输入/输出（I/O）端口，具有2个12位的模数转换器（ADC）、3个16位定时器和1个脉波宽度调制（PWM）定时器，2个I2C和串行外设接口（SPI）、3个通用同步/异步串行接收/发送器（USART）、1个USB和1个控制器局域网总线（CAN）。工作在-40～105 ℃的温度范围，供电电压2.0～3.6 V，采用多种省电模式以实现低功耗[6-9]。

GSM 模块选用TC35，其尺寸小，功耗低，方便集成，工作在900、1 800 kHz 2个频段，由自带处理器、电源模块、零插入力（ZIF）链接器、闪存、射频模块、天线接口等6个部分组成，使用通用终端设备与适配器之间通信的命令形式（AT）指令操作，可以实现语音、数据、短消息、传真等快速、可靠、安全传

输[10]。通过串口与STM32F103C8T6进行通信。

显示电路选用JXD320240AF液晶显示屏，它使用RA8806控制器进行控制，支持320×240双图层混和显示和640×240或320×480单图层显示，内建简体中文（GB/BIG5）和美国信息交换标准代码（ASCII）字体的只读存储器（ROM），支持多角度数字和字符旋转显示，支持1～4倍字型放大，具有文字对齐功能，支持4灰阶显示，支持粗体字以及行间距设定，内建脉波宽度调制，以实现液晶显示屏（LCD）对比或背光的调节[11]。

报警电路采用声光报警的形式，当数据超限后，声光部分将同时工作。存储电路主要实现将采集到的数据分类存储在micro SD卡中。执行机构由驱动电路和执行设备组成，在自动工作模式下，不断检测采集数据是否超过所设定上下限，当数据超限后，主控芯片驱动继电器，打开相应的执行设备，数据正常后，关闭相应的执行设备。在手动模式下，通过拨动开关打开或关闭执行设备。主控节点硬件电路如图5所示。

3系统软件设计

3.1主控节点软件设计

主控节点是系统的控制核心，其控制芯片采用STM32F103C8T6，在其上运行的操作系统选用uC/OS Ⅱ（Micro Control Operation System Ⅱ），该系统是实时多任务、抢占

式、具有高度可移植性的操作系统[12-14]。软件系统的工作流程为先初始化操作系统和外部设备，然后检测协调器是否有发送数据请求，若有，接收数据，将其存储在micro SD存储卡上并在LCD显示屏显示。随后，检测GSM是否有数据请求，若有，通过短信的形式将实时采集到的数据发送到用户手机，紧接着检测是否有按键事件发生，若有，设置各个采集数据的上下限。随后，检测系统是工作在手动模式还是自动模式，若为手动模式，则通过拨动开关开启或关闭相应的执行设备；若为自动模式，先检测数据是否超过所设定的上下限，若超过，启动声光报警，向用户手机发送报警短信并拨打电话，开启相关执行设备，若没有超限，则关闭声光报警和相关执行设备。然后，重复以上过程。为了避免在下次循环过程中数据超限，手机短信反复发送，设定10min内数据超限，短信不再发送。主控节点程序流程如图6所示。

3.2手机APP系统设计

手机APP系统采用Eclipse ADT开发环境，在Win10 64位操作系统下进行开发，使用安卓常用的TextView、ImageButton等控件，考虑到APP的专业性，对相关控件进行归类，采用线性布局进行开发，用有倒角的背景将同类参数框在一起，简洁明了。手机APP主要实现温室采集数据的显示、设备工作状态的显示、发送命令获取当前数据以及当数据超限后接收系统发来的报警信息。其界面如图7所示。

4系统测试

在系统软硬件设计完成后，于2016年9月11日在陕西周至某温室大棚进行了实地测试，选择在2个温室大棚各布设4个无线采集节点，每个无线采集节点分别连接1个温湿度传感器、1个光照度传感器、1个CO2 传感器。设定温度范围为20～26 ℃，相对湿度范围为70%～80%，光照度范围为200～500 lx，CO2浓度范围为300～450 mg/L。每隔1h检测1次数据，再用专业的检测工具测量相关的数据，主要查看相关数据的相对偏差值以及相关控制设备是否能够正常开启或关闭。测试数据如表1所示。

经过对终端节点测试数据和专业检测工具测量的数据对比分析，平均温度在±0.6 ℃的误差范围内，平均相对湿度在±2%的误差范围内，平均光照度在±10 lx的误差范围内，平

均CO2 浓度在±10 mg/L的误差范围内。在自动工作模式下，18：30时，温度和光照度的检测数据超出了其设定工作范围，声光报警启动工作，同时加热机信号灯和补光机信号灯点亮，表明驱动电路已经发出信号，驱动相关执行机构开始工作。通过实地测试，表明该系统工作稳定、性能良好，可以满足温室环境控制系统的需要。

5結论与展望

本研究针对目前小型温室在环境参数监控方面存在的不足，提出并设计了1种以STM32为控制中心，结合ZigBee无线传感器网络和GSM无线通信网络的温室环境控制系统。该系统的主要特点表现为布设简单、组网方便、扩充容易，该系统不受温室内各种障碍物的干扰，监测节点随意布设，根据监测温室的范围，可以容易地扩充终端监测节点；操作简便、维护方便。该系统只有很少的几个按钮，用于设定监测数据

的上下限范围，通过液晶大屏显示数据，使得系统操作非常简便，系统各部分模块相对独立，出现故障后，只需更换出现故障的部分，没有故障的部分可以在其他地方反复使用；成本低廉、可重复使用，以2座连体温室大棚的监控为例，该系统硬件成本大约需要3 000元，软件粗略估算约1 000元，系统总成本不超过5 000元，另外，拆卸下来的模块可以反复使用，后期系统的运行费用主要由电池费用、电费、设备维护费、短信费等组成，每年大约为2 000元，相对而言，该系统的一次性投入和后期运行费用都是较低的。系统在运行过程中，可以实现温室内完全无人值守，用户可以通过移动终端随时掌握温室内各种数据的变化情况。

在现有研究的基础上，后续在数据采集方面可以增加土壤温湿度传感器，在控制方面，可以增加对卷帘设备、喷淋设备的控制，实现更加全面的温室数据采集和控制。

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