基于STM32的溫室溫濕度采集系統

胡古月，黃麗華

(南京農業大學工學院，江蘇南京 210031)

溫室、大棚等設施農業生產過程中，溫濕度的實時收集與控制管理是優質、高產農作物栽培的重要環節。溫濕度傳感器一般以有限傳送的方式傳輸數據，存在傳輸線路復雜，不適合大范圍放置，線路易老化而影響數據的可靠性，連接維修成本昂貴等問題。溫度傳感器與濕度測量器屬于20世紀90年代興起的產品。濕度傳感器分為電阻式與電容式2種，產品的形式都是基片上涂覆感濕材料形成感濕膜。近年來，國內外在濕度傳感器研發領域取得了較大的發展，濕敏傳感器從簡單的單一元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展。國內外廠家的溫濕度傳感器產品水平不一、價格參差不齊。就國內市場而言，濕度傳感器以電容式濕敏傳感器較為多見。目前，國外已相繼推出高精度、高分辨力的智能傳感器，如由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能傳感器，能輸出13位二進制數據，其分辨力高達0.031 25℃，測量精度為±0.2℃。另外，智能溫濕度傳感器正從單通道向多通道方向發展，而總線技術也實現了標準化、規范化，如使用I2C總線、SMBUS總線、SPI總線等。隨著價格低、集成度高的無線模塊的不斷問世，使用無線通信技術傳輸數據已成為可能。基于STM32的溫室溫濕度采集系統包括溫濕度傳感器、串口模塊、無線模塊，以及上位機模塊。2個無線模塊通過單片機將采集到的數據通過串口傳輸到PC機中，再由上位機顯示實時數據，從而達到實時采集、無線傳輸與在線監控的目的。實驗雖以溫室為例，但因其簡便性，具有較好的可移植能力，可以移植到其他工作環境中。

1 系統整體結構和工作原理

本系統由一個主機與2個單片機組成，系統原理框架由圖1所示。上位機由STM32單片機、無線模塊、天線、電源模塊、時鐘模塊、終端設備，以及串口通信模塊組成。在上位機系統下，STM32單片機作為主控單元，通過接收無線模塊從下位機發送過來的溫濕度數字信號，經過串口通信模塊與終端設備進行通信，數據進入 PC機，由LABVIEW編寫的上位機顯示出相應數據。下位機由控制芯片STM32單片機、無線模塊、電源模塊、時鐘模塊組成。下位機系統中，由溫濕度傳感器DHT21分別對溫濕度進行實時采集，采集的數字信號經過主控芯片STM32單片機的處理由無線發送模塊nRF24L01將溫濕度數字信號發送到上位機系統中。

2 傳感器采集節點系統的組成與功能的實現

2.1 溫濕度傳感器

DHT21數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度技術，使產品具有極高的可靠性和長期的穩定性。DTH21為4針單排引腳封裝信號傳輸距離可達20 m以上。

2.2 STM32單片機

圖1 基于STM32的溫室溫濕度采集系統的整體結構

STM32系列基于專為高性能低成本的嵌入式專門設計的ARM Cortex-M3內核，替代M3內核，該系列處理器融合了16位單片機的優點，具有低功耗、低成本等特點。增強型系列更是達到時鐘頻率72 MHz，能夠實現高端的運算。二外設則帶來出眾的控制和聯接能力。采用哈佛結構、單周期乘法指令和硬件除法指令，與ARM7TDMI相比，運行速度可加快35%，而代碼最多可節省45%。系統選用STM32F103RBT6作為MCU，使用這款主要是其優秀的性價比，其最小系統擁有128KB FLASH、20KB SRAM、51個可用I/O腳和4個16位定時器等，這樣的配置無論放到哪里都是很不錯的，更重要的是其價格低廉，所以選擇其作為我們的主芯片。STM32單片機在系統中，接受無線射頻模塊發送的信息，并通過另一塊STM32單片機控制無線射頻模塊發送接收到的溫濕度數字信號。本系統設計最初宗旨是使其可以方便運輸與使用，STM32這款單片機最小系統模塊大小適中，并且便于拆卸與組裝，易于攜帶。

2.3 nRF24L01無線發射模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發一體器件，工作頻段為2.4～2.5 GHz ISM頻段。其內部包括頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。具有極低的電流消耗，在發射模式下發射功率0 dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。本系統中nRF24L01模塊，2塊都與單片機相連，執行接受與發送信號的功能。具有自動應答和自動再發送功能，如果要實現可靠傳輸，就必須用戶程序設計，事實上這種方式能更好地實現可靠傳輸。對于農田或溫室這種變化較大的環境下，信號傳輸的穩定是決定工作人員是否對農作物進行調控的決定性因素。所以，nRF24L01可靠的穩定性和自動應答功能，可使用戶得到較為可信的數據。模塊原理如圖2所示。

2.4 電源模塊

圖2 無線發射模塊的工作原理

系統中單片機及溫濕度傳感器采用5 V供電，無線模塊采用3.3 V供電，為了保證兩者信號傳輸的可靠性，設計了電平轉化電路，分別如圖3和圖4所示。

圖3 單片機5 V供電的電路

圖4 無線模塊3.3 V供電的電路

3 上位機結構

系統采用Labview作為上位機開發軟件。Labview是一種程序開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發，使用圖形化編輯語言G語言編寫，產生框圖形式的程序。作為一款虛擬儀器開發軟件，Labview是通用編程程序，是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編輯語言。Labview的核心為數據流，采用數據流編程方式，根據節點的數據流向編寫程序。作為一款面向最終用戶的工具，它增強了創建用戶自己的科學和工程系統能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，因此，提高了工作效率。系統上位機控制界面如圖5所示。

圖5 上位機控制的界面

溫濕度數據經過無線傳輸模塊的傳輸，單片機的解析后，通過串口由單片機傳送給PC上位機，上位機對數據進行分類后在虛擬儀器中顯示出來，當數據達到或超過環境所需最大容量時，報警器即亮紅燈，提示溫度或濕度過高，需要相關人員進行調節。當采集次數等于預設次數時，系統停止采集，否則一直進行采集直到結束按鈕被按下為止。

4 系統測試

本研究是基于STM32的溫濕度采集系統，并實現數據的無線傳輸。通過小規模試驗驗證，在封閉環境下，系統采集數據穩定、可靠，可將系統移植于溫室大棚中，檢測溫室大棚中溫濕度的變化。

試驗采用400 mm×400 mm×400 mm的正方體塑料盒，上方放置6只1 W燈泡。將傳感器采集節點模塊分別放置在容器中節點1，2，3，4和5中 (表1)，輸入程序連續采集數據10次，通過PC上位機觀察具體數據。

閉合電燈開關，帶盒中溫度穩定后接通傳感器節點采集模塊電源，并觀察上位機數據，具體結果見表1。表1 系統各節點測試的溫度和相對濕度

傳輸距離/節點1 m節點2節點3節點4節點5溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃10 59 40 60 58 41 60 56 39 55 40 41 41 41 40 41 20 58 40 60 57 41 60 52 40 55 42 41 41 41 41 41 30 59 41 60 59 42 60 52 40 55 39 40 41 40 39 41 40 57 42 60 59 40 60 51 42 55 41 42 41 40 38 41 50 0 0 60 0 0 60 0 0 55 0 0 41 0 0 41

5 小結

試驗結果表明，基于STM32的溫室溫濕度采集系統，具有操作方便，結構簡單，上位機操作界面人性化，采集的數據穩定、精確等優點，且無線接收，可大幅降低成本，能夠基本滿足采集要求，具有較好的應用前景。但系統也存在一定的問題，如傳輸距離超過40 m時數據無法顯示，或者數據傳輸不精確;需不同位置多次采集，才可以得出環境平均溫濕度。如何通過使用其他型號模塊來試圖加大距離，以及系統采集數據功能的完善，尚待進一步研究。

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