基于STM32與3G技術(shù)的植物工廠(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃天宇 黃葉琨 郭嘉欣

【摘要】 植物工廠(chǎng)代表著未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一。植物工廠(chǎng)的發(fā)展方向是大型化和家庭化，然而不論何種發(fā)展方向，都要求我們可以從客戶(hù)端中遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的檢測(cè)植物工廠(chǎng)的植物的生長(zhǎng)狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)情況。所以基于3G通訊技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并給出了軟硬件的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)植物工廠(chǎng)可以起到長(zhǎng)期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)效果。

【關(guān)鍵詞】 植物工廠(chǎng) 3G STM32

引言：近年來(lái)國(guó)家越來(lái)越重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題，而植物工廠(chǎng)則是國(guó)際上公認(rèn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)最高級(jí)的發(fā)展階段，是一種技術(shù)高度密集，不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式。目前植物工廠(chǎng)的檢測(cè)方式一般都是在植物工廠(chǎng)內(nèi)部使用顯示屏幕方式直接呈現(xiàn)，然而對(duì)于未來(lái)大規(guī)模植物工廠(chǎng)或者家庭植物工廠(chǎng)而言[1]，用戶(hù)更需要的是遠(yuǎn)程就可以得知植物工廠(chǎng)內(nèi)植物的生長(zhǎng)情況與環(huán)境參數(shù)如何。正是由于這種需求，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)由感知層子系統(tǒng)，傳輸層子系統(tǒng)與應(yīng)用層子系統(tǒng)構(gòu)成。其中感知層子系統(tǒng)與傳輸層子系統(tǒng)主要由下位機(jī)硬件構(gòu)成，而應(yīng)用層子系統(tǒng)則是通過(guò)C++語(yǔ)言進(jìn)行編程的客戶(hù)端。總體框架如圖1所示。

二、感知層子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)硬件由STM32F103ZET6單片機(jī)作為主控芯片，采用了DHT11大氣溫濕度傳感器，BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器，SMS-II-100土壤溫濕度傳感器與MG811二氧化碳濃度傳感器。利用單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)到的數(shù)字量或模擬量進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)化，以便后續(xù)通過(guò)傳輸層子系統(tǒng)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。

1、主控制器模塊。本系統(tǒng)采用的控制單元是意法半導(dǎo)體公司的STM32單片機(jī)，它具有32位處理器，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHZ，具有豐富的外設(shè)資源，是專(zhuān)為高性能，低功耗，低成本的嵌入式設(shè)備而設(shè)計(jì)的芯片，較強(qiáng)的運(yùn)算能力足以達(dá)到本系統(tǒng)的要求。它主要負(fù)責(zé)采集和處理傳感器數(shù)據(jù)并通過(guò)3G模塊將數(shù)據(jù)打包傳送至上位機(jī)中。

2、多傳感器檢測(cè)模塊。1）DHT11溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。該傳感器測(cè)量濕度的量程為20～90% RH，精度為±5% RH，測(cè)量溫度量程為0～50 ℃，精度為±2℃，工作電壓為3.5～5，5V，工作電流平均為0.5mA，分辨率為8位，采樣周期為1s。值得注意的是，用MCU對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候要注意這個(gè)傳感器的時(shí)序。[2]2）BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器。BH1750FVI為不區(qū)分光源的光照強(qiáng)度傳感器，他一種基于I2C編程的集成電路傳感器，可以實(shí)時(shí)的反應(yīng)植物工廠(chǎng)中的光照強(qiáng)度。此傳感器的精度可調(diào)，且最高精度為0.5lx，量程為1～65535lx，同時(shí)此傳感器內(nèi)置了一個(gè)16位的A/D轉(zhuǎn)換器。[3]3）SMS-II-100土壤溫濕度傳感器。SMS-II-100土壤溫濕度傳感器來(lái)自大連祺峰科技公司，具有功耗低，測(cè)量精度高，防水耐腐蝕等特性，特別適合用于農(nóng)田或大棚中土壤溫濕度的測(cè)量。輸出方式有兩種可選，0～20mA的電流輸出方式或者0～2V的電壓輸出方式，前者適用于較大阻抗負(fù)載，后者適用于小負(fù)載。其水分測(cè)量范圍為0～50%或者0到100%，誤差小于5%，溫度測(cè)量范圍為-40～80攝氏度，誤差小于0.4攝氏度。4）MG811二氧化碳濃度傳感器。MG811二氧化碳傳感器使用雙路信號(hào)輸出，包括TTL高低電平信號(hào)與模擬量信號(hào)輸出，對(duì)二氧化碳有良好的選擇性和很高的靈敏度，量程為0到10000ppm，具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性，并且輸出時(shí)自帶溫度補(bǔ)償。缺點(diǎn)是線(xiàn)性度較差，需要用軟件編程進(jìn)行擬合。[4]

三、傳輸層子系統(tǒng)

1、硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中采用芯訊通公司（SIMCom）的WCDMA/HSDPA模塊SIM5320e，其支持下行速率達(dá)3.6Mbps，并且內(nèi)置GPS和A-GPS，性?xún)r(jià)比非常高。SIM5320e模塊與STM32的物理連接為STM32串口二的TXD與SIM5320E的RXD相連，STM32串口二的RXD與SIM5320e的TXD相連。

2、程序設(shè)計(jì)。SIM5320e與STM32之間通過(guò)串口發(fā)送和接受AT指令進(jìn)行通訊。首先發(fā)送AT指令“AT+ CGSOCKCONT=1，IP，3gnet”，然后發(fā)送“AT+TCPCONNECT=服務(wù)器端公網(wǎng)IP，端口號(hào)”使之連接上服務(wù)器端，注意此處連接時(shí)需要公網(wǎng)的IP地址。發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)候，發(fā)送“AT+TCPWRITE=n”，其中n為要發(fā)送的字符串長(zhǎng)度，接著直接發(fā)送相應(yīng)長(zhǎng)度的字符串就可以將數(shù)據(jù)內(nèi)容打包發(fā)出了。發(fā)送的數(shù)據(jù)需要加上幀頭打包成數(shù)據(jù)包的形式發(fā)出，這是為了在服務(wù)器端進(jìn)行解包的時(shí)候分辨出該數(shù)據(jù)是哪一個(gè)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，以便存放在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

四、應(yīng)用層子系統(tǒng)

4.1 程序設(shè)計(jì)

Socket又稱(chēng)套接字，在程序內(nèi)部提供了與外界通信的端口，即端口通訊。通過(guò)建立Socket連接，可以為通信的雙方提供通道。Socket具有數(shù)據(jù)丟包率低，編程簡(jiǎn)單，可移植性高等優(yōu)點(diǎn)。在客戶(hù)端中首先聲明一個(gè)Socket類(lèi)的的對(duì)象，然后調(diào)用lisen（）函數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)，一旦有客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求便啟用accpet（）函數(shù)與之相連，用receive（）函數(shù)從下位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取。接著使用ADO的數(shù)據(jù)庫(kù)編程手法，首先初始化OLE/COM環(huán)境，為訪(fǎng)問(wèn)ADO接口做準(zhǔn)備，然后創(chuàng)建Connection對(duì)象，接著為Adoconn類(lèi)添加GetRecordSet的函數(shù)，目的是為了打開(kāi)并獲得記錄集，之后為Adconn類(lèi)添加ExecteSQL函數(shù)，目的是用來(lái)執(zhí)行SQL函數(shù)，最后設(shè)置并退出記錄集。在receive（）函數(shù)獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)包并解包后，利用GetRecordSet（）函數(shù)聲明一個(gè)myrecord的對(duì)象，然后用AddNew（）和Update（）函數(shù)進(jìn)行添加與刷新數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 服務(wù)端軟件運(yùn)行

服務(wù)器端軟件運(yùn)行流程圖如圖三所示：

五、 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)和多種傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程植物工廠(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)和植物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式相比更加靈活方便，與2G等網(wǎng)絡(luò)方式相比，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸量都有所增加。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊其長(zhǎng)，張成波，植物工廠(chǎng)概論M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[2]韓丹翱，王菲. DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2013，13：83-85+88.

[3]王海燕，陳貴斌，熊志成. 基于BH1750芯片的智能窗簾控制系統(tǒng)設(shè)[J]. 現(xiàn)代建筑電氣，2015，03：48-50+63.

[4]陳樹(shù)成，楊志勇，王科. 基于MG811探頭的二氧化碳采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，01：47-50.