基于STM32的温室环境监测和控制系统

郭磊

摘要 目前应用中的温室环境监测装置结构简单，仅仅实现监测数据的传输，未实现根据导入的参数模型对环境因子进行自动调控，本文应用STM32作为总控制器处理器，STC单片机作为采集部分的处理器，每个温室里装有一个ZigBee设备，运用NB-IoT技术的无线模块，将园区状态传到手持终端。

关键词：嵌入式技术;传感器技术;ZigBee通信;NB-IoT 窄带通信

当前，农业科技取得了长足的进步，可具备环境参数监测功能是科技大棚的必备条件，其中温湿度、光强和CO2含量，可以改变种植物的状态。但是，应用过程中还存在一些缺陷。鉴于此，论文中运用STM32作为核心控制芯片，配合NB-IoT窄带无线模块，将采集的参数值利用窄带无线模块远程传送给移动终端，进行进一步的显示和处理。

1. 系统的功能分析与设计

本论文设计的温室监控设备可以做到对园区内多个温室大棚内的温湿度、光强、CO2含量的全天候采集，园区内为局域网。设计以STM32微控制芯片为平台，对温湿度、光照和CO2浓度传感器输出的信号进行采集。

2.系统总体硬件设计

2.1 采集节点部分硬件设计

每个温室需要放置一个采集节点设备，负责监测所在温室的环境因子参数，经过对数据的滤波处理，将数据通过ZigBee无线模块传送给通信控制器。该部分内容包括确定了单片机的型号，选定了基于CC2530的无线模块，对环境参数检测传感器做了比较与选型。

2.1.1 单片机选型与设计

采集节點部分外围电路包括四种传感器和无线模块，占用资源较少，因此选用了51系列单片机作为主控制器。

2.1.2 ZigBee模块选型与设计

CC2530是由德州仪器（TI）公司设计生产的，可用在2.4GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE应用。内部包含有高质量的RF收发器和工业级51内核，因此也称作无线单片机，

2.1.3 传感器选型与设计

DHT11温湿度传感器输出信号为数字信号，数据已进行滤波和校准，可以同时测量并输出温度和湿度参数。采用BH1750FVI作为光照强度采集传感器，I2C数据通信总线数字量输出，十六位精度（1～65535 lx的高分辨率），不区分光源，检测范围大。MG811作为二氧化碳浓度检测传感器。

2.2通信控制器硬件设计

2.2.1 处理器选型与设计

STM32处理器按功能分为几个系列，即基本型、增强型、USB基本型、互补型系列。其中增强型和基本型的时钟频率分别为72MHz和36MHz，增强型系列时钟频率最高。

2.2.2 NB-IoT选型与设计

本系统选用的NB-IoT模块为上海稳恒电子生产的WH-NB75，兼容我国三大运营商NB-IoT网络连接。

3.系统软件设计

3.1 ZigBee无线通信协议模块软件设计

所有通信采用如下通信格式如表3.1所示。

其中，68H是帧头，校验码的值等于通信格式内前七个字节二进制算术和的低8位。

3.2 采集节点模块软件设计

3.2.1 温湿度采集部分程序设计

DHT11的通讯方式与温度传感器DS18B20类似，即单总线方式，只需要占用单片机的一个端口进行数据传送。

3.2.2 光照强度采集部分程序设计

BH1750与单片机通过I2C总线进行通讯连接，数据输出过程为：首先通电发送指令0x01，最后进行数据的传送。光照强度的计算公式为（返回值*分辨率）/（1.2*灵敏度）。

3.2.3 MG811二氧化碳浓度采集部分程序设计

MG811传感器常用于探测家庭、温室环境内CO2的浓度，MG811的灵敏度特性曲线说明了MG811敏感元件在几种常见气体，各种浓度时的输出电压值。

3.4 农作物生长模型建立

西红柿的生长过程对温度要求比较严格，不宜过高和过低，为喜温种植物类。如果西红柿的生长环境出现光线比较暗、温度比较高、土壤太湿等情况会造成幼苗徒长。

4.系统测试结果与分析

4.1 无线数据通信测试

首先对ZigBee模块进行通道、模式和PIN ID设置，配置1个协调器（Coordinator）和3个终端（Router）Zigbee模块。焊接完成的采集节点和通信控制器电路板如图4.1所示。在有人透传云二次开发SDK Demo的基础上修改程序，开发符合温室环境监测系统通信协议的终端APP。登录成功后的检测界面如图4.2所示。

5. 总结

本篇论文针对温室农作物种植过程中遇到的实际困难提出了解决方案，主要研究成果如下：制定了系统中各模块间以及对外的通信协议，在系统应用过程中未出现数据传输错误的情况。对采集节点模块和通信控制器模块的硬件、程序进行了设计。实现了温室大棚环境因子的远程无线实时采集、显示，当某个参数值超过设定阈值时，系统可以利用NB-IoT网络提醒种植户。

参考文献

[1]王冉冉.针对西红柿生长特性的物联网集成控制的温室智能通风系统的研究与设计[J].智能计算机与应用，2015，3：72-76.

[2]韩成春.日光温室设施果品生产智能监控信息化技术研究[J].福建电脑，2016，3：15-16.

[3]贺文通.自动化技术在电子信息工程设计中的应用探讨[J].中国战略新兴产业，2017，38：104-105.

[4]龚志远.基于单片机与PLC协作的大棚智能监控[J].制造业自动化，2019，5：5-8.

[5]张鹏.基于无线网络的粮仓环境监测系统[J].商场现代化，2013，28： 13-15.

[6]肖天成.无线通信技术在远程测量系统中的应用[D].华中科技大学，2012.

齐鲁工业大学电气工程与自动化学院 济南 250353