基于STM32處理器的大棚溫濕度監控系統設計

安鶴峰

摘要：介紹一種基于STM32的溫濕度監控系統設計方案。以基于Cortex-M3內核的STM32F103系列微處理器為核心，采用防護型溫濕度數字傳感器進行溫濕度采集，在多組四位數碼管上實時顯示溫度和濕度；通過Zigbee無線模塊進行實時數據互通及參數設置，微處理器完成相關計算后，對放風、噴淋等設備發出指令。

關鍵詞：溫濕度監控系統；STM32處理器；設計；大棚；參數設置

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0015-03

隨著微電子科技的不斷發展，農業科技的智能化需求越來越高，傳統直布線測量與控制方式已經無法滿足需求，采用無線傳輸溫濕度成為必然趨勢。以STM32為控制核心設計溫濕度控制系統，采用高精度溫濕度傳感器對溫度進行實時測量，利用STM32核心處理器進行比對、轉換等計算，使用無線模塊和GPRS模塊連接上位機，并通過上位機串口接收和發送數據。

1 設計方案論證

1.1 控制部分

方案1：采用STC89C51/52八位單片機實現控制。此單片機軟件自由度較大，硬件成本低，但資源相對較少，需要強勁的“芯”來支持聯網通信功能，這在八位機上很難實現，因此不適用于該系統。

方案2：采用當前較流行的STM32控制器。此控制器硬件資源豐富，包括多個I/O接口和SPI通訊接口，性價比很高，且便于操作。

1.2 傳感器部分

方案1：采用NTC熱敏電阻溫度傳感器和HR202濕敏電阻傳感器模擬量輸出，性價比較高。

方案2：采用數字溫濕度傳感器輸出全數字化信號，有利于單片機處理和控制，且體積小、省去很多傳統外圍電路，但該傳感器價格比傳統的熱敏電阻溫度傳感器高，且軟件操作較繁瑣。

1.3 聯網控制部分

聯網控制部分采用當前流行的Zigbee射頻模塊，其具有靈敏度高、反應速度快，組網能力強、安全可靠的特點。再利用GPRS模塊與Zigbee局域網互聯成一個整體，解決移動網絡盲區覆蓋的問題。

1.4 放風控制部分

采用大棚兩側放風方式。

1.5 系統框圖

系統控制部分采用STM32F103系列微處理器，傳感部分采用SHT15數字溫濕度傳感器，組成的系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 溫濕度采集模塊

在大棚生產中，溫度和濕度是最主要的被控參數之一。其中相對濕度的測量比較復雜，需要設計信號調整電路及較為復雜的標準設定過程，且測量精度難以保證。究其原因，濕敏元件在穩定性、可靠性、非線性等方面很難達到均衡。

傳感器選用SHT15數字溫濕度傳感器，其將工業級CMOS芯片技術與傳感技術結合起來，由多個傳感模塊組成單片全校準數字輸出溫度和相對濕度。將溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、數模轉換模塊、信號調整、I2C接口等全部集成到傳感器內，不但干擾更少，而且設備體積也更小。SHT15的內部結構見圖2。

SHT15全量程標定，兩線數字輸出，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，精度可達±0.3 ℃；濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度可達±2%RH；響應時間為8 s（tau63%）。

2.2 Zigbee無線模塊及GPRS模塊

SN102無線模塊以射頻模式接收和發送數據，通過SPI接口與微控制器進行數據交換、指令發送與接收。此模塊可對多個大棚中的溫濕控制設備進行統一的數據發送和接收，形成1個1 000～2 500 m范圍的局域網絡。其特性如下：1） 安全可靠。Zigbee技術采用AES-128加密算法，具有完整性檢查和鑒權功能。同時，其采取的碰撞避免機制有效避免了數據接發時的競爭和沖突，且同頻抗擾能力也非常出色，支持跳頻及固定頻率2種工作模式。2） 自組網和自愈能力強。Zigbee網絡可以增加、刪除或移動節點，當節點出現發送阻礙時可以自我修復，保證網絡正常工作。無線人工干預可感知節點的存在，并構造成星形、樹形、點對點、點對多點、MESH網絡，網絡深度可達到8級。3） 反應速度快。此設備發射功率可達17 dbm，深度休眠喚醒時間120 us，能夠滿足實時通信要求。

2.3 GPRS模塊

GPRS模塊采用西門子MC35。該模塊可提供40線ZIP接口、SIM卡接口、標準RS232雙向接口，支持EGSM900MHz/GSM1800MHz雙頻2種工作模式。

2.4 放風控制器

大棚卷膜兩側放風時，直流電機功率在60～100 W之間，電機雙向轉動，一旦棚內溫度超過設置限值，電機即根據設定要求正向卷起棚膜或反向放下棚膜。T通過4個功率元件組成H橋電路，用場效應管、三極管等開關元件實現PWM（脈沖寬度調制）調速，輸出電流要求達到6 A。

2.5 STM32主控電路

該處理器是一款嵌入式ARM處理器，為MCU提供低成本的平臺、縮減的引腳數目和較低的系統功耗。同時，其也提供卓越的計算性能和先進的中斷系統響應。STM32主控電路是一款精簡指令集計算機RISC處理器，擁有一致的指令模式和相同的指令周期，提供額外的代碼效率。其增強型系列還擁有內置RAM核心，可與所有的ARM工具和軟件兼容。

STM32F103系列微處理器的基本功能和特點為：1） 適合工作于-40～+105 ℃的環境，供電電壓在2.0～3.6 V之間，省電模式保證低功耗的應用要求。2） 工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達128 K字節的內存和20 K字節的SRAM），有豐富的增強I/O端口和鏈接到2條APB總線的外設。51個快速I/O端口，且所有I/O口均可以映像到16個外部中斷，允許5 V信號。3） 所有型號的器件都包含2個12位ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器。4） 包含先進的通信接口，即2個I2C和SPI、3個USART、1個USB、1個CAN。5） 增強型系列包括36～100腳等5種不同封裝形式，不同形式的器件外設配置不盡相同。系統采用的48腳處理器如圖3所示。

3 軟件設計

軟件程序主要分2部分：電力系統通斷控制和溫濕度數據采集。系統主程序的框圖如圖4所示。

4 結語

目前，雖然嵌入式微處理器在農業科技領域中應用廣泛，但很多傳統的嵌入式微處理器為8位，性能無法得到有效提升，而傳統32位基于ARM的處理器需要嵌入式操作系統支持，無法使整個系統更加精煉。以Cortex-M為內核的新型微處理器不需要操作系統支持，用Keil C語言進行編程，大大減輕了設計人員的工作量。

以Cortex-M3內核的STM32F103增強型ARM處理器，結合防護型溫濕度數字傳感器進行溫濕度采集，并在多組四位數碼管上實時顯示溫度和濕度；通過Zigbee無線模塊進行實時數據互通、參數設置等操作；微處理器完成相關計算后，對設備放風、噴淋等設備發出指令。根據大棚的實際需要調取大棚實時溫濕度記錄，并進行遠程參數設置，可實現大棚的溫濕度智能化控制管理。

參考文獻

[1] 潘輝，張燕，張明，等.基于ZigBee的倉庫溫濕度監控系統設計[J].計算機與數字工程，2014（9）：1737-1740.

[2] 王東濤，鞠鳳船.農業大棚溫濕度監控系統設計[J].安徽農業科學，2010（35）：20446-20447.

[3] 蔣鼎國.基于GPRS的溫室大棚溫濕度監控系統的設計[J].湖北農業科學，2014（9）：2153-2155.