溫室大棚智能控制系統設計與實現*

毛 群，張 勇

(阿壩師范學院 電子信息與自動化學院，四川 汶川 623002)

0 引 言

國內川西南偏遠地區，很多地方采用傳統溫室大棚生產，限于成本較高等方面問題，目前只能通過單方面數據控制溫室大棚內部環境，不能根據植物生長需求、地域條件差異很好地為大棚內部的空氣溫濕度、CO2濃度，光照強度、土壤濕度等環境因數提供有效的解決方案[1]，溫室大棚控制沒有實現無線傳輸的遠距離控制。 為解決傳統溫室大棚智能化水平不足，筆者設計一款具有環境信息采集和數據處理能力的溫室大棚智能控制系統，利用傳感器采集外部環境信息數據，單片機通過其UART、IIC、SPI接口與傳感器通信獲取數據，數據處理模塊通過對當前獲取數據進行判斷，利用單片機控制是否需要驅動噴淋滴灌、內外遮陽、頂窗側窗、加溫補光等設備，同時通過ESP8266對終端發送數據進行實時監測，終端可通過發送數據請求驅動相應控制設備，實現智能化控制。

1 溫室大棚智能控制系統設計

溫室大棚智能控制系統設計如圖1所示。

圖1 系統框圖

溫室大棚智能控制系統由溫濕度傳感器、光照傳感器、CCS811傳感器、土壤濕度傳感噴淋滴灌、內外遮陽、開窗通風、加溫補光等，保證溫室大棚內環境條件適宜相應植物生長，同時用戶可通過WIFI向STM32發送命令，STM32執行相應命令功能。

2 溫室大棚系統硬件設計

2.1 微控制器電路

系統所采用的微控制器是STM32F407ZGT6單片機，它使用了高性能的32位Cortex-M4內核，最高頻率可達168Mhz，高達1MB Flash/192+4KB RAM,擁有140個具有中斷功能的I/O端口、17個定時器、15個通信接口、3個12位2.4MSPSADC、2個12位DA轉換器、CRC、RTC、真隨機數發生器等，兩條APB總線的外設，具有良好的性能。單片機是整個系統的控制核心，系統整體控制電路如圖2所示。

圖2 STM32F407系統電路圖

2.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款溫濕度數字傳感器，包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，內部與一個8位單片機相連接[2]。DHT11濕度傳感器與單片機STM32F407ZGT6之間采用單總線通信，每次傳輸40bit數據，DHT11的數據輸出為：8位濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和，其中校驗和數據為前四個字節相加，某次從DHT11讀到的數據如表1所列。DHT11的數據發送流程如圖3所示。DHT11測量電路如圖4所示。

表1 DHT11數據

圖3 DHT11數據發送流程

圖4 DHT11測量電路

2.3 光照傳感器

光照傳感器是利用光敏電阻的光電流與光照度之間的關系判斷光照強度，無光照時其電阻值很高，只能流過微弱的電流；當受到光照時其電阻值降低，電流隨入射光強度的變化而變化，利用這個電流變化，通過ADC讀取電壓值判斷外部光線的強弱，系統中光敏電阻測量電路如圖5所示。

圖5 光敏電阻測量電路

2.4 YL-69濕度傳感器

YL-69是一個簡單的土壤濕度傳感器,當環境濕度改變時,濕敏電容存在的環境中的介質將發生改變,導致濕敏電容中的電容數值產生變化，電容的數值與濕度值成正比[3]。通過YL-69的探頭能夠采集當前的濕度值，通過ADC讀取電壓值判斷濕度的高低，系統中濕度傳感器測量電路如圖6所示。

圖6 濕度傳感器測量電路

2.5 CCS811氣體傳感器

CCS811是一款超低功耗微型氣體傳感器，CCS811的特性與優點包括：內置微控制器，管理傳感器驅動模式與測量揮發性有機化合物(VOC)；板載處理能力，無需主機干預即可提供等效二氧化碳(eCO2)等級或總揮發性有機化合物(TVOC)指標[4]。單片機STM32F407ZGT6與CCS811之間采用IIC接口進行通信，但與最常見的IIC傳感器相比，多了中斷、使能、復位功能和相應的管腳。某次通過IIC讀取的數據如表2所列。

表2 通過IIC讀取的數據

eCO2_data=((uint16_t)Byte0<<8)|((uint32_t)Byte1<<0))；

TVOC_data=((uint16_t)Byte2<<8)|((uint32_t)Byte3<<0))；

CCS811氣體傳感器測量電路如圖7所示。

圖7 CCS811氣體傳感器測量電路圖

2.6 ESP8266通信模塊

ESP8266是一款基于WIFI協議的無線傳輸模塊，ESP8266模塊支持STA、AP、STA+AP三種模式功能。STA模式：ESP8266通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現遠程控制；AP模式：將ESP8266作為WIFI熱點，手機或電腦直接與模塊進行通信，實現局域網無線控制；STA+AP模式：兩種模式的共存模式。ESP8266內置TCP/IP協議棧，支持多路TCPClient連接，通過串口或I/O口進行通信[6]。本系統采用AP模式，通過ESP8266作為熱點實現用戶與單片機STM32F407ZGT6通信，配置如圖8、9所示，ESP8266電路如圖10所示。

圖8 ESP8266配置圖

圖9 連接ESP8266圖

圖10 ESP8266電路圖

3 溫室大棚系統軟件設計

系統軟件設計通過系統配置初始化ADC、IIC、UART、SPI等接口，采用溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、土壤濕度傳感器等采集數據，將采集的數據通過液晶顯示，通過數據分析判斷當前所采集的數據否在設定閾值之內，若不在所設定閾值之內，單片機將驅動相應控制系統進行參數調節；若在所設定閾值內，單片機將判斷是否需要遠程控制，若不需要遠程控制，單片機則繼續采集數據進行判斷；若需要用遠程控制控制，單片機將所接收到的數據進行判斷，從而執行相應的功能，執行完后繼續采集數據進行判斷。系統軟件設計流程圖如圖11所示。

圖11 軟件系統設計程序流程圖

4 溫室大棚系統調試

軟硬件設計調試完成后，本系統在室內進行了整體測試，測量結果如圖12～15所示，系統可以準確顯示傳感器和ADC采集的數據，并通過數據分析驅動相應的控制器。不同的時間段測試各項參數數據見表3所列。

圖12 光照系統圖 圖13 修改光照閾值圖

圖14 通風系統圖 圖15 灌溉系統圖

表3為白天空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度、光照強度在不同時間段的變化，可以通過針對不同植物生長條件要求，設定相應的環境值，單片機對比采集的值與所設定的值,通過數據處理之后，單片機驅動相應繼電器實現環境參數調節，滿足系統需求。

表3 數據測試

5 結 語

利用STM32單片機為控制核心，使用ESP8266通信模塊及各種傳感器，設計出一套性能穩定、價格低廉的溫室大棚智能控制系統，可對大棚內植物的生長環境進行實時檢測，數據處理與分析，提供最佳的解決方案，使植物處于最優生長環境。實驗表明，該系統能安全、可靠、高效地將環境數據信息傳遞給用戶，便于用戶管理和使用，具有一定的實用價值。