低成本模块化通用棚采集控制器设计

常永新 谭峰 徐帅 颜子翔 郭子栋 卞振宇

摘  要：为大棚种植户提供高质量低成本的模块化通用棚采集控制器，能解决市场上对大棚信息采集麻烦、设备复杂、操作麻烦等且需要大量进口的需求难题。文章以STM32芯片为主控芯片，485温湿度传感器，土壤水分传感器来检测农作物的生长状况，通过继电器输出控制棚室的温湿度。采用GMS通信，具有外接显示屏，还可以远程通过手机读取大棚的实时信息，让大棚种植更加的智能化，本系统操作简单，体积较小，可以外接多种485的传感器，实现多种功能，具有待机和工作两种状态，耗电量小，提高种植户的生产效率。

关键词：模块化;STM32;传感器;GMS通信;耗电量

中图分类号：TP273.5       文献标志码：A         文章编號：2095-2945（2019）33-0026-03

Abstract： The modular general shed acquisition controller with high quality and low cost for greenhouse growers can solve the problem of difficult information collection， complex equipment， difficult operation and a large number of imports in the market. In this paper， STM32 chip is used as the main control chip， 485 temperature and humidity sensor， soil moisture sensor to detect the growth of crops， through the relay output to control the temperature and humidity of the shed. Using GMS communication， with external display screen， but also through the mobile phone to read the real-time information of the greenhouse， so that the greenhouse planting more intelligent， the system is simple to operate， small size， can be connected with a variety of sensors to achieve a variety of functions. It has two states of standby and work， low power consumption， and improves the production efficiency of growers.Keywords： modularization; STM32; sensor; GMS communication; power consumption

随着社会不断进步，传统的农业生产模式已经不能满足现代文明发展的需要，新型的设施农业受到业界人士的追捧。其中，大棚在现代设施农业发展中具有重大意义，它在提供反季节蔬菜、缩短农作物生长周期，以及大幅度提高农作物的成活率等方面起到了巨大作用。由于建造成本的因素，其中塑料大棚仍旧占据着主体地位，研究表明：大棚内空气湿度过大，不仅直接影响蔬菜的光合作用和对矿质营养的吸收，而且还有利于病菌孢子的发芽和侵染。因此，要进行通风换气，促进棚内高湿空气与外界低湿空气相交换，可以有效地降低棚内的相对湿度。所以，在温室大棚作物生产过程中，由于棚内种植作物对环境的需求，实时采集棚内环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分、土壤温度等参数并利用通风卷帘、微喷电磁阀、湿帘、风机等控制棚内温湿度及二氧化碳浓度对提高现代棚室种植质量具有重要意义。

而当前棚室日常管理控制多数采用人工方式，人工管理模式不但费时费力，人为调控温室的温度、湿度等环境因素会有很大的波动幅度，轻者减少棚室的产量，重则造成绝收。少数政府主导的示范类项目采用棚室采集监控系统，但由于当前棚室类型众多，不同棚室采集的环境参数和控制需求有所差异，导致现在关于棚室监控系统多为针对某类型棚室专门开发，不具有可移植性，一般农户对棚室参数采集监控设备虽然有需求，但由于价格偏高，使得农户难以接受，故当前亟需开发一种低成本模块化通用棚采集控制器，实现对不同棚的通用性和低成本性考虑，设计一款普通农户价格上可接受、操控容易的通用型大棚采集控制器，通过采集控制，从而使得作物生长的环境最优，达到农作物增产农民增收的目的。

1系统设计

基于STM32的模块化通用棚采集控制器主要实现大棚室内环境的监测，将大棚内环境数据进行远程实时在线监测、显示等功能。根据传回来的数据可以对大棚内的设备进行智能控制，改变大棚内部的环境，同时根据显示的数据用户可以对大棚内的设备进行控制，改变大棚内部的温湿度，提高作物的生长效率。

低成本的模块化通用棚采集控制器主要由农田信息采集模块、GSM数据传输模块、电源模块、光耦隔离模块、继电器控制模块五部分组成，主要功能如图1所示。

通过信息采集系统实时将土壤湿度、棚内温度等信号经传感器采集到STM32，采集回的数据会显示在LCD1602上供用户实时读取，同时智能控制继电器打开关闭大棚窗口，同时将信息通过GMS模块传输到上位机显示，让农户可以远程操控。

2 单元电路设计

2.1 控制系统设计

STM32F103RC是一种高性能、低价格的处理芯片，用它作为系统的主控芯片，功能强大，外部设备配置丰富，适合实时多通道数据采样与处理。本系统所用的STM32最小系统包括系统外部震荡器，JTAG接口电路，电源电路，上电复位电路。

2.2 电源设计

系统采用220V供电，通过变压器连接到接线柱上，使用兩个LM7805将12V转5V供电，使用TPS7333将5V转3.3V为微控制器提供电源。在电源模块输入与输出端添加滤波电容减小输出与输入电压的波动，输入端加二极管作反接保护。

2.3 光耦隔离模块

TLP521是广泛运用在测量仪器、家用电器中的可控制的光耦合器件，功耗150mW，隔离电压为2500Vrms，可增强电路的安全性，减小电压的干扰。通过该隔离芯片将STM32的I/O口与继电器进行隔离。

2.4 通讯模块

RS-485接口最大传输距离可达3000米，在总线上是允许连接多达128个收发器。应用RS-485可以联网构成分布式系统。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长传输距离和多站能力等上述优点使其成为首选的串行接口。本系统将在大棚中实现自动控制，环境中干扰因素较多，传输距离较远，外设较多，故采用485通讯，在核心板上设置了485芯片作为数据通讯的接口。

2.5 显示模块

本产品为了节约功耗故采用LCD1602作为显示，虽然该模块显示内容不丰富，但是对于大棚控制中的温度湿度的简单显示已经完全足够了。

3 系统软件设计

控制器控制传感器采集、处理、通过GMS发送到上位机、在LCD1602中显示出来。图3为系统主程序流程图。

4 结论

低成本模块化通用棚采集器实现了对大棚内空气温湿度，土壤的温湿度等信息的远程实时在线监测、分析等功能，并且能智能调节大棚内的环境温度，同时还可以被农户手动改变。通过连续运行，没有出现问题，数据可以正确的采集。本系统的硬件设计合理，软件运行稳定，经过测试，数据采集正确，传输稳定。

参考文献：

[1]祝朝坤.基于STM32和Android手机的农业物联网大棚的设计与实现[D].郑州工商学院，2017.

[2]张钰玲.农业大棚智能控制系统设计与研究[J].微计算机信息，2009，25（08）：52-53.

[3]彭高丰.GSM的智能大棚温湿气无线监控电路设计[D].长沙师范学院，2018.