基于无线技术农业大棚环境质量监测系统的设计与实现

2021-05-20赵若愚

科学技术创新 2021年12期

赵若愚

（万荣县农业农村局，山西运城044000）

农业大棚栽培农作物在农业生产中起到了极其重要的作用，通过控制大棚内的温湿度等环境指标可以减少农作物的生产成本，提高其产量和质量，从而提升农业生产力。农业大棚对环境的要求比较高，如何实时的监控和控制大棚内的环境就显得尤为重要。传统的环境质量监测系统一般采用人工采样+实验室分析的方法进行，这种方法成本高、效率慢、时效性差，而且不能对多点同时进行在线检测。针对这些缺陷，本文研究基于无线网络GPRS 技术智能农业大棚环境质量监控系统，设计成本低、实施便利、维护方便，尤其是利用无线网络技术能够对农业大棚内部环境进行实时检测和综合分析，给农业生产带来便利。

1 无线通信技术

当代计算机技术和信息技术的发展使得工业、农业等产业信息化要求不断增加，无线通信技术的发展开辟了新的传输模式，将现今产业从固定思维模式解放出来，通用无线分组业务不需要中介转换器，通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现，同时这种技术以封包式来传输，使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，不会占用整个频道，从而能够便捷的与因特网互连，具有实时在线、按量计费、高速传输等优点。

2 硬件方案设计

2.1 总体硬件方案设计

该无线环境质量监测系统主要由监测终端、通信网络模块、远程监测中心三个部分组成。硬件电路设计重点是监测终端部分的硬件电路，其采用了模块化电路设计，包括电源模块、微处理器模块、显示模块、无线通信模块、空气质量传感器模块、温湿度传感器模块、数据存储模块、开关机模块、提示音模块。

2.2 微处理器模块设计

STM32 系列的设计目的与方向就是高性能、低成本、低功耗。STM32 拥有低电压检测、调压器以及精确的内部RC 振荡器等功能。此外，该系列微处理器具有丰富的片上外设，STM32固件库提供的函数可以使用户可以很方便地驱动STM32 的各个外设。由于固件库的引入，使得开发周期大大缩短。

2.3 GPRS 模块

GPRS 通信模块主要有控制电路、G24 模块、SIM 卡，G24 模块已通过两个1N4001 串联组成的电路将外部输进5V 电压降至4V 为G24 模块供电，此模块与STM32 单片机通信方式采用串口通信，因此，在电路设计时只需连接VCC、GND、TXD 和RXD 即可，而不必使用硬件握手引脚。为使更好的控制通信模块的工作状态，本电路使用PMOS(AO3401)作为控制整个模块的开关。由于电平的不匹配，STM32F105CBT6 的高电平的电压为3.3V，而AO3401 的栅极（G）需要给一个5V 的电平才能切断GPRS 通信模块的电源。因此选择能容忍5V 电压的GPIO，防止单片机损坏。

2.4 电源模块设计

本设计需要考虑基本参数电压范围和电流容量，还要考虑电源转换效率、噪声、干扰等。可靠的电源方案是系统电路稳定可靠运行的基础。系统中通信模块和空气质量传感器需5V 电压供电，微处理器、显示、温湿度传感器等模块需3.3V 电压供电。

2.5 颗粒物传感器模块

PMS1003 是以数字接口形式输出的颗粒物浓度传感器，此传感器采用激光散射原理，在特定角度收集散射光，得到散射曲线，利用基于米氏（MIE）理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量，并且可将测试结果通过串口的向外发送。该传感器模块与单片通过串口（USART）进行通信，故设计电路需把模块的串口与STM32 单片机的串口连接起来。为确保供电的稳定性，需在供电引脚添加100uF 的铝电解电容和100nF 的无极性电容。

2.6 温湿度传感器模块

AM2320 数字温湿度传感器是有己校准数字信号输出温度和湿度的复合型传感器。湿度通过电容式感湿元件采集，温度通过高精度集成测温元件采集。AM2320 传感器响应时间快、抗干扰能力强、性价比高，同时可采用IIC 与微处理器进行通信。

3 系统程序设计

系统以C 语言作为开发工具，开发环境选择集成开发环境IAR Embedded Workbench for ARM，同时为了缩短开发周期，采用了STM32 固件库进行。本系统的主要任务是：通过STM32单片机控制串口和I2C2 接收传感器数据；通过串口控制GPRS无线通信模块G24 发送数据包；通过4 线SPI 控制OLED 液晶屏显示当前采集数据。系统软件设计采用模块化程序设计。