基于STM32F103ZET6的水培生菜生长环境远程检测系统设计

陆洋，陶杰

（苏州农业职业技术学院，江苏苏州，215008）

水培生菜产量高，品质好，安全美味，易于管理。目前一般的小型室内种植设备逐渐出现，但功能相对简单。如图1所示的麦佳氧菜源M3型号的智能蔬菜种植机，只具有循环灌溉、自动补光等功能。为更好的控制生菜生长，提升设备的自动化水平。在原有基础上，增加了营养液远程监测功能。本文针对此需求设计了控制单元，检测种植机中营养液箱营养液的电导率、液位、PH计的数值，通过手机APP上远程监测数值的变化。

图1 蔬菜种植机装置图

1 方案设计

系统由控制单元，上位机和监控终端组成，控制单元由控制器和硬件外设组成，控制单元包含单片机，单片机连接OLED显示屏、传感器、水泵和ESP8266模块。上位机采用了物联网平台ONENET智能云与ESP8266无线连接，用来存储数据，监控终端使用的手机APPONENET设备云来制作图形界面，来远程监测数据的变化。

2 控制单元电路设计

控制单元采用STM32F103ZET6作为核心控制器，通过SPI连接OLED显示屏，通过两个串口与液位、电导率、PH计传感器和wif i模块通信。控制单元电路图如图3所示。

图3 控制单元电路图

OLED显示屏采用中景园1.8彩色TFT LCD，型号为OLED128160，分辨率为128×160，使用SPI串口，采用5V供电。显示屏的SDA接在PF115，SCL接在PF13，RES接在PF11，DC接在PF10，CS接线PF12，BL接在PF1上。

电导率、液位、PH值传感器与单片机采用Modbus协议通信，采用485总线连接。 单片机串口2 使用TTL转485模块CP2102实现总线转换。 单片机USART2的RX（PD6）接在模块的RX上，TX（PD5）接在模块的TX上，传感器的RS485A接在模块的A上，传感器的RS485B接在模块的B上，传感器外接12V电源。

WIFI模块采用ESP8266-01，通过串口转换与单片机连接，该模块支持TCP透传模式，使用3.3V供电。单片机的USART3串口的RX（PD9）接在ESP8266模块的TX上，TX（PD8）接在模块的RX上。

WiFi和传感器出现故障时需要报警，两个LED报警灯一个负责WIFI连接失败报警，另一个LED报警灯负责传感器读取失败报警，LED使用3.3V供电。L1接在PC0上，L2接在PC1上。

3 控制单元的软件设计与实现

控制单元程序主要由主程序和串口接收中断子程序组成。主程序与主程序之间通过几个全局变量实现程序之间的数据操作。

定义全局变量f loat型数组canshu[4]，数组元素依次作为电导率、液位、PH值当前参数值及传感器累积的未复位报警次数；其中电导率和PH值1位整数2位小数，液位值是1位整数2位小数。

主程序中通过串口发送各传感器检测modbus协议指令，并将传感器按照modbus协议返回的检测值处理，之后将各检测值显示在OLED上，并发送至ONENET智能云。串口接收过程由中断子程序处理。串口接收数据及状态由主程序处理。定义全局变量char型数组RS485_RX_BUF[8]，作为串口接收缓存区。

根据控制单元和ONENET智能云的数据流输送需要，定义一char型数组shangchuan[15]。

在shangchuan[15]中第0到11个元素表示三个传感器读取电导率、液位、PH值转换后的四位字符；第12至14元素值表示三个传感器的状态，“0”表示正常，“1”表示报警。

充分考虑传感器的检测及通信时间延迟，项目中设计各传感器每隔300ms读取一次，每隔100ms轮流读取3个传感器的参数值。定义char型全局变量f lag，作为单片机串口接收一次传感器检测数值的完成标记。

■3.1 控制单元的主程序实现

进入主程序后，先执行初始化程序，根据硬件连接指定各相关引脚号和数据方向,控制器采用串口2进行MODBUS通信，设置串口2的波特率为9600；控制器采用串口3进行ESP8266串口通信，设置串口3波特率为115200，发送AT指令来配置ESP8266使其连接到ONENET智能云，AT指令接收成功则显示OK，配置失败则显示ERROR，如果没有连接到，就重新发送配置，在连接不成功重试了三次之后，WiFi报警灯LED开始闪烁。连接到ONENET智能云之后，控制器通过发送Modbus协议检测命令给传感器，轮询读取三个传感器的参数检测值。每个传感器每隔300ms读取一次测量值。

在主程序中，根据传感器的参数读取指令的modbus协议，定义三个char型数组TX_diandao[8]、TX_water[8]、TX_ph[8]，分 别 为电导率读取数组、液位读取数组、PH值参数的读取指令帧。主程序每次发送读取指令帧前，先清空串口接收缓冲区数组RS485_RX_BUF[8]，并将串口接收检测数值的完成标记f lag复位。

图4 主程序流程图

程序中设计一int型变量s作为传感器序号，当s=0时，发送电导率传感器modbus指令，当s=1时，发送液位传感器modbus接收指令，当s=2时，发送PH值传感器modbus接收指令；每次发送modbus指令后对应的s加1。延时100ms后，通过检查全局变量f lag，如未正确收到检测值，则将s减1，再次发送对应传感器的检测指令。

如果发送正确接收到数值，先把canshu[0]、canshu[1]、canshu[2]显示到OLED显示屏中，并转换成shangchuan[15]中格子对应的字符值；如3次发送未能收到检测数值，在shangchuan[15]中将对应传感器的状态刷新；最后将shangchuan[15]值上传至智能云。

■3.2 串口接收中断子程序实现

传感器通信的modbus协议规定，传感器的测量响应帧为8个字节。串口接收数据后调用中断子程序，中断子程序流程图如图5所示。

图5 子程序流程图

串口每接收一个字节进入中断，将接收数据存放进数组RS485_RX_BUF[8]中。并检查是否收到8个字节后检测数据是否符合协议要求，如正确，则按照IEEE754标准将接收的数值转换为浮点数，并存入对应的全局变量canshu[4]中，并将接收标记f lag置1。如错误，则直接退出，由主程序在100ms的定时后检查f lag值后处理报警。

4 ONENET中控制台及监视界面设置

在ONENET智能云数据流模板中添加diandao、yew ei、p h、baojing1、baojing2、baojing3数 据流，分别在图形界面中显示电导率、液位、PH值和三个传感器的状态。在设备列表中采用LUA建立关联脚本，使用函数device_data_analyze ()从接收的上行数据分离出对应值赋值 给diaodao、yewei、ph、baojing1、baojing2、baojing3数据流。

图形界面的设计使用了ONENET设备云APP进行设计。图形界面由图6所示，数据查看区域使用仪表图和报警灯，分别对应各自数据流，通过APP可以查看传感器运行状态和测量值。

图6 远程监测图形界面

5 总结

本文使用STM32F103ZET6单片机实现电导率、液位、PH值的检测控制单元，通过WIFI的TCP透传方式实现与ONENET智能云的通信，在ONENET上控制台设置数据流并设计监视图形界面，较好地实现了水培生菜生长环境远程监测功能。