基于STM32和ZigBee的小型溫室環境控制系統設計

陳高鋒+熊剛++龍建明++何國榮++張爭剛

摘要：針對目前小型溫室管理運行方式較為落后、自動化程度較低等情況，介紹1種以STM32控制器為核心，結合ZigBee無線傳感器技術和全球移動通信系統（GSM）無線通信技術，由ZigBee無線傳感器網絡、STM32控制中心、手機控制終端、執行機構等構成的溫室環境控制系統，闡述其工作原理、系統整體結構、軟硬件設計方法，進行裝配調試并進行實地測試。測試結果表明，該控制系統具有工作穩定可靠、安裝操作簡便等特點，完全能夠滿足小型溫室環境控制的需要。

關鍵詞：STM32；ZigBee；溫室；控制

中圖分類號： TP273文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0191-05

陜西地處我國中緯度地區，東西較窄，南北狹長。南為秦巴山地，中為關中平原，北為黃土高原，屬大陸性季風氣候。陜西農業自然資源在全國居中游偏上地位，其光照充足，晝夜溫差大，自然條件優越，比較適宜發展設施農業。近些年，陜西先后出臺了一系列政策措施，鼓勵引導設施農業的發展。形成了陜北地區以日光溫室為主，關中地區精心打造現代農業產業園區，建設代表現代農業發展的智能設施農業，陜南地區以塑料大棚為主要發展模式[1]。在設施農業中溫室大棚占70%以上，這些溫室大棚中，政府企業投資興建的，其規模往往較大，基本建有先進的管理控制系統，而農民自己建設的則規模較小，由于成本原因，往往都沒有建設管理控制系統，農民通常憑眼睛觀察或簡易的工具測量環境參數，通過手動控制相關設備調節環境參數。這樣的測量及控制方式精度低、速度慢、易受外界環境干擾。因此，設計一種適合小型溫室需要、安裝方便、操作簡單、成本低廉的環境控制系統非常有必要。

1系統功能與結構

本系統從結構上分為數據采集部分、主控中心、數據傳輸部分、執行機構部分。數據采集部分主要由ZigBee無線傳感器網絡構成，該無線傳感器網絡由終端節點、路由器節點、協調器節點組成。其中終端節點上連接有溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2 傳感器，主要實現數據的采集，采集好的數據通過無線網絡傳送給路由器節點，路由器節點將多個終端節點傳送過來的數據整理后傳送到協調器節點，協調器節點再將收到的多個大棚送來的數據整理后傳送至主控中心。主控中心主要實現對協調器傳送來的數據進行顯示、存儲，設定監測數據的上下限，通過判定監測數據是否超限，決定是否向執行機構發送控制信號、是否啟動聲光報警，通過全球移動通信系統（GSM）模塊向指定用戶手機發送信息以及接收來自用戶手機的信息。數據傳輸部分由GSM模塊和無線移動網絡組成，主要實現將主控中心的數據傳送給用戶手機，以及將用戶手機的信息傳送給主控中心。執行機構由加熱、通風、補光、制冷等設備組成，主要實現當主控中心發來指令后開啟或關閉相關設備。系統整體結構如圖1所示。

2系統硬件設計

2.1終端節點硬件設計

終端節點主要實現數據的采集，其功能框如圖2所示，主要由CC2530核心模塊、溫濕度傳感器、CO2 傳感器、光照傳感器、電源模塊、復位模塊、無線發射模塊等組成。溫濕度傳感器選用廣州奧松公司生產的DHT11數字式傳感器，能測量20%～90%的相對濕度、0～50 ℃的溫度[2-3]，能滿足溫室的測量需要，采用單總線方式與CC2530控制器進行數據通信，實際應用中加上正負電源線即可使該傳感器正常工作[4]。

光照傳感器選用BH1750FVI數字型光照度傳感器集成電路，采用兩線式串行總線接口，輸入光范圍為1～65 535 lx，無需其他外部件，最小誤差變動在±20%，具有體積小、靈敏度高、功耗低、穩定性強的特點[5]。CO2傳感器選用MH-Z14A，是一款通用智能小型二氧化碳氣體傳感器，它利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的CO2進行探測，選擇性和無氧氣依賴性較好，內置溫度補償，輸出數字信號，直接與控制器相連接。

終端節點使用2節9 V電池并聯提供電源，經LM2596S開關電壓調節器2級變化，分別輸出5.0、3.3 V的電壓，分別供外部傳感器、CC2530核心模塊使用。LM2596S是降壓型電源管理單片集成電路，輸入直流電壓范圍3.2～40.0 V，可調輸出電壓范圍1.2～37.0 V（±4%），輸出線性好且負載可調節，輸出電流可高達3A，具有過熱保護和限流保護功能，功耗小，效率高，外圍電路簡單。為了節省電能，每隔10min采集1次傳感器數據，其余時間處于休眠狀態。終端節點電源電路如圖3所示。

2.2主控節點硬件設計

主控節點是系統的控制核心，其功能框如圖4所示，主要實現采集數據的收集、存儲、分析、顯示、超限報警、傳輸、執行機構驅動等功能，由主控芯片、電源電路、復位電路、鍵盤電路、時鐘電路、GSM模塊、顯示電路、報警電路、存儲電路、執行機構等部分組成。主控芯片選擇STM32F103C8T6，它使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的精簡指令集計算機（RISC）內核，工作頻率為72 MHz，內置高速128 kB的閃存和20 kB的靜態隨機存取存儲器（SRAM）存儲器，具有豐富的輸入/輸出（I/O）端口，具有2個12位的模數轉換器（ADC）、3個16位定時器和1個脈波寬度調制（PWM）定時器，2個I2C和串行外設接口（SPI）、3個通用同步/異步串行接收/發送器（USART）、1個USB和1個控制器局域網總線（CAN）。工作在-40～105 ℃的溫度范圍，供電電壓2.0～3.6 V，采用多種省電模式以實現低功耗[6-9]。

GSM 模塊選用TC35，其尺寸小，功耗低，方便集成，工作在900、1 800 kHz 2個頻段，由自帶處理器、電源模塊、零插入力（ZIF）鏈接器、閃存、射頻模塊、天線接口等6個部分組成，使用通用終端設備與適配器之間通信的命令形式（AT）指令操作，可以實現語音、數據、短消息、傳真等快速、可靠、安全傳

輸[10]。通過串口與STM32F103C8T6進行通信。

顯示電路選用JXD320240AF液晶顯示屏，它使用RA8806控制器進行控制，支持320×240雙圖層混和顯示和640×240或320×480單圖層顯示，內建簡體中文（GB/BIG5）和美國信息交換標準代碼（ASCII）字體的只讀存儲器（ROM），支持多角度數字和字符旋轉顯示，支持1～4倍字型放大，具有文字對齊功能，支持4灰階顯示，支持粗體字以及行間距設定，內建脈波寬度調制，以實現液晶顯示屏（LCD）對比或背光的調節[11]。

報警電路采用聲光報警的形式，當數據超限后，聲光部分將同時工作。存儲電路主要實現將采集到的數據分類存儲在micro SD卡中。執行機構由驅動電路和執行設備組成，在自動工作模式下，不斷檢測采集數據是否超過所設定上下限，當數據超限后，主控芯片驅動繼電器，打開相應的執行設備，數據正常后，關閉相應的執行設備。在手動模式下，通過撥動開關打開或關閉執行設備。主控節點硬件電路如圖5所示。

3系統軟件設計

3.1主控節點軟件設計

主控節點是系統的控制核心，其控制芯片采用STM32F103C8T6，在其上運行的操作系統選用uC/OS Ⅱ（Micro Control Operation System Ⅱ），該系統是實時多任務、搶占

式、具有高度可移植性的操作系統[12-14]。軟件系統的工作流程為先初始化操作系統和外部設備，然后檢測協調器是否有發送數據請求，若有，接收數據，將其存儲在micro SD存儲卡上并在LCD顯示屏顯示。隨后，檢測GSM是否有數據請求，若有，通過短信的形式將實時采集到的數據發送到用戶手機，緊接著檢測是否有按鍵事件發生，若有，設置各個采集數據的上下限。隨后，檢測系統是工作在手動模式還是自動模式，若為手動模式，則通過撥動開關開啟或關閉相應的執行設備；若為自動模式，先檢測數據是否超過所設定的上下限，若超過，啟動聲光報警，向用戶手機發送報警短信并撥打電話，開啟相關執行設備，若沒有超限，則關閉聲光報警和相關執行設備。然后，重復以上過程。為了避免在下次循環過程中數據超限，手機短信反復發送，設定10min內數據超限，短信不再發送。主控節點程序流程如圖6所示。

3.2手機APP系統設計

手機APP系統采用Eclipse ADT開發環境，在Win10 64位操作系統下進行開發，使用安卓常用的TextView、ImageButton等控件，考慮到APP的專業性，對相關控件進行歸類，采用線性布局進行開發，用有倒角的背景將同類參數框在一起，簡潔明了。手機APP主要實現溫室采集數據的顯示、設備工作狀態的顯示、發送命令獲取當前數據以及當數據超限后接收系統發來的報警信息。其界面如圖7所示。

4系統測試

在系統軟硬件設計完成后，于2016年9月11日在陜西周至某溫室大棚進行了實地測試，選擇在2個溫室大棚各布設4個無線采集節點，每個無線采集節點分別連接1個溫濕度傳感器、1個光照度傳感器、1個CO2 傳感器。設定溫度范圍為20～26 ℃，相對濕度范圍為70%～80%，光照度范圍為200～500 lx，CO2濃度范圍為300～450 mg/L。每隔1h檢測1次數據，再用專業的檢測工具測量相關的數據，主要查看相關數據的相對偏差值以及相關控制設備是否能夠正常開啟或關閉。測試數據如表1所示。

經過對終端節點測試數據和專業檢測工具測量的數據對比分析，平均溫度在±0.6 ℃的誤差范圍內，平均相對濕度在±2%的誤差范圍內，平均光照度在±10 lx的誤差范圍內，平

均CO2 濃度在±10 mg/L的誤差范圍內。在自動工作模式下，18：30時，溫度和光照度的檢測數據超出了其設定工作范圍，聲光報警啟動工作，同時加熱機信號燈和補光機信號燈點亮，表明驅動電路已經發出信號，驅動相關執行機構開始工作。通過實地測試，表明該系統工作穩定、性能良好，可以滿足溫室環境控制系統的需要。

5結論與展望

本研究針對目前小型溫室在環境參數監控方面存在的不足，提出并設計了1種以STM32為控制中心，結合ZigBee無線傳感器網絡和GSM無線通信網絡的溫室環境控制系統。該系統的主要特點表現為布設簡單、組網方便、擴充容易，該系統不受溫室內各種障礙物的干擾，監測節點隨意布設，根據監測溫室的范圍，可以容易地擴充終端監測節點；操作簡便、維護方便。該系統只有很少的幾個按鈕， 用于設定監測數據

的上下限范圍，通過液晶大屏顯示數據，使得系統操作非常簡便，系統各部分模塊相對獨立，出現故障后，只需更換出現故障的部分，沒有故障的部分可以在其他地方反復使用；成本低廉、可重復使用，以2座連體溫室大棚的監控為例，該系統硬件成本大約需要3 000元，軟件粗略估算約1 000元，系統總成本不超過5 000元，另外，拆卸下來的模塊可以反復使用，后期系統的運行費用主要由電池費用、電費、設備維護費、短信費等組成，每年大約為2 000元，相對而言，該系統的一次性投入和后期運行費用都是較低的。系統在運行過程中，可以實現溫室內完全無人值守，用戶可以通過移動終端隨時掌握溫室內各種數據的變化情況。

在現有研究的基礎上，后續在數據采集方面可以增加土壤溫濕度傳感器，在控制方面，可以增加對卷簾設備、噴淋設備的控制，實現更加全面的溫室數據采集和控制。

參考文獻：

[1]李鴻德，任建利，沈新元，等. 陜西省設施農業發展現狀及建議[J]. 現代農業科技，2011（9）：247-250.

[2]王登宏，厲佳男，賀雪輝，等. 基于Android的手機同步顯示溫濕度檢測系統的設計與實現[J]. 工業控制計算機，2016，29（7）：42-45.

[3]祖一康，徐妙婧.基于 STM32的溫濕度采集系統設計[J]. 黃岡師范學院學報，2015，35（6）：60-63.

[4]李天華，仲崇哲，魏珉，等. 溫室蔬菜溯源數據采集系統的設計與實現[J]. 山東農業科學，2016，48（7）：142-145.

[5]嚴冬，李瑛，李景林.基于STM3的無線光照傳感器節點的設計[J]. 物聯網技術，2014（2）：16-18.

[6]鄭優訊，李宗伯. 基于STM32微處理器的GPRS數據傳輸技術的研究[J]. 微型機與應用，2012，31（21）：60-61，64.

[7]胡平，曾博才，雷霆，等. 基于STM32F103微控制器的短信報警溫濕度記錄儀的設計[J]. 中國測試，2015，41（增刊1）：113-116.

[8]王晨輝，吳悅，楊凱. 基于STM32的多通道數據采集系統設計[J]. 電子技術應用，2016，42（1）：51-53，57.

[9]張素萍，高照陽，張建芬. 基于STM32微控制器的無線水塔遠程監控系統[J]. 化工自動化及儀表，2016，43（2）：195-199，205.

[10]蔡紅娟，翟晟，蔡苗. 基于STM32的GSM智能家居控制系統設計[J]. 自動化技術與應用，2013，32（8）：37-40.

[11]陳高鋒，熊剛. 基于RA8806控制器的溫濕度控制系統設計[J]. 電子設計工程，2015，23（18）：123-126.

[12]許富景，馬鐵華，李新娥. 基于μcos Ⅱ的貯運溫濕度監測系統設計與研究[J]. 電子技術應用，2016，42（2）：61-67.

[13]李征明，張世剛，孫華英，等. 基于μC/OS-Ⅱ系統的無線手持數據監控系統的設計[J]. 農機化研究，2016（1）：150-154.

[14]賈云峰，付成偉. 一種無線傳輸的溫度采集系統的設計[J]. 現代電子技術，2015，38（24）：136-138.張伏，王唯，張國英，等. 山羊坡地行走的步態分析[J]. 江蘇農業科學，2017，45（8）：196-199.