基于STM32的大棚種植環境參數物聯網監控系統*

張吉圭

（貴州城市職業學院，貴州 貴陽 550025）

隨著社會和經濟的發展，智能化、信息化需求的增加，近年來物聯網系統在農業上的應用不斷發展。解決方案越來越多，集成度較高，終端節點功耗高，結構復雜，接口不統一，網絡平臺開發難度大，成本高，不易于維護，效率低，標準不統一，數據不能共享等缺點。針對上述的問題，設計一種以STM32F103R6微控制器為核心，結合溫濕度傳感器對農作物進行溫度和濕度的監測，恒溫機和空氣循環機來調節溫濕度，通過ESP8266接入OneNET開放云平臺，WEB端或終端設備能夠遠程監測和控制大棚的溫濕度。

1 系統總體構架

基于OneNET的大棚溫濕度環境參數遠程監控系統主要包括：STM32F103R6主控制器、恒溫機和空氣循環機、DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器、TP-Link路由器、ESP8266無線WiFi模塊、中國移動OneNET云平臺，WEB終端設備，系統構架如圖1所示。

圖1 遠程監控系統總體構架圖

STM32F103R6通過DHT11采集大棚的溫濕度，BH1750采集光照強度，ESP8266通過TP-Link接入互聯網和OneNET云平臺，在WEB終端能夠顯示大棚的溫濕度、光照強度及控制參數，當環境參數達到控制閾值，能夠通過設備終端或WEB端進行命令下發，控制恒溫機和空氣循環機的工作來調節溫濕度。溫室內溫度正常時，恒溫機與空氣循環器不工作。室內溫度異常，室外溫度正常時，空氣循環器工作。室內溫度異常，室外溫度異常時，恒溫機工作。光照傳感器通過監測光照的強度來實現大棚遮光和光照的需求，達到對濕度的控制，進而實現大棚環境參數的遠程控制。

2 系統硬件設計

接入設備由STM32F103R6單片機、光照傳感器、溫濕度傳感器和ESP8266模塊、空氣循環機、恒溫機組成。ESP8266模塊通過串口與STM32F103R6處理器連接，恒溫機和空氣循環機通過繼電器連接到STM32F103R6處理器，溫濕度傳感器通過單總線與STM32F103R6處理器連接，光照傳感器由IIC總線與處理器進行連接，設備連接框圖如圖2所示。

圖2 設備連接框圖

2.1 STM32最小系統硬件實現

STM32F103R6最小系統主要包括：復位電路、電源電路、晶振電路、調試電路。

電源電路：系統工作的電源主要包括5V的外圍驅動電源和3.3V的主控芯片STM32的工作電源，恒溫機和空氣循環機使用220V的交流電源。如圖3所示。

圖3 5V-3.3V電源電路

復位及晶振電路：STM32F103R6主芯片低電平復位。設計的電路中復位引腳正常情況為高電平，當按鍵按下時為低電平，系統復位。系統時鐘的頻率為72M，是由外部8M晶振經PLL鎖相環升頻提供，系統其他外圍時鐘頻率經系統時鐘分頻。系統復位及晶振電路如圖4、圖5所示。

圖4 系統復位電路

圖5 系統晶振電路

2.2 ESP8266無線WiFi電路

為使得數據的互聯，能遠程查看和操作溫控系統，設計以ESP8266無線WiFi器件為核心的數據傳輸模塊，連接中國移動的OneNET物聯網平臺，數據通過控制器串行口與ESP8266實現溫度數據的傳輸及上傳，WEB終端通信顯示。工作電路如圖6所示。

圖6 ESP8266 WiFi通信電路

2.3 恒溫機及空氣循環機電路實現

大棚環境參數遠程控制系統的兩個執行器恒溫機和空氣循環機，采用220V的交流電源工作，通過繼電器和STM32F103R6處理器進行連接。硬件連接如圖7、圖8所示。

圖7 空氣循環機繼電器驅動電路

圖8 恒溫機繼電器驅動電路

2.4 溫濕度傳感器及光照傳感器電路

溫濕度的采集采用DHT11單總線溫濕度傳感器，通過一條總線與處理器進行數據通信連接，具有極高的可靠性與穩定性，成本低、相對濕度和溫度測量、抗干擾能力強、超快響應、數字信號輸出、精確校準、超長的信號傳輸距離等特點。BH1750光照傳感器，一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，可用于環境光照參數的采集。硬件原理圖如圖9、圖10所示。

圖9 光照傳感器電路

圖10 溫濕度傳感器電路

3 系統軟件設計

隨著通信技術的發展，單片機的功能也越來越強大，編譯軟件代表性的有Keil、IAR、CodeWarrior等。代碼語言有匯編語言、C語言、JAVA語言等。C語言具有良好的邏輯性及功能性，本次設計選擇STM32F103R6作為主控制器，編程語言選用C語言，編譯軟件選用軟件Keil。

3.1 系統軟件設計結構框圖

整體的系統軟件設計是由系統里有著不同功能的模塊整合在一起，實現系統的功能。系統中包括環境參數的采集、恒溫機和空氣循環機的驅動、WiFi模塊通信程序、開關控制。系統軟件設計結構圖如圖11所示。

圖11 軟件框架圖

3.2 溫濕度采集程序

STM32處理器向DHT11發送溫濕度采集指令，傳感器在收到命令后執行采集的工作，測量完成后通過單總線的方式發送給處理器，完成采集的工作。其時序圖如圖12所示。

圖12 DHT11時序圖

3.3 光照采集程序

光照傳感器BH1750采集大棚光照強度，通過IIC協議與處理器進行通信，把光照的數據傳送給STM32進行分析，通過ESP8266無線WiFi模塊連接OneNET云平臺，在設備終端顯示光照參數，能夠實時掌握智慧大棚的光照條件，為大棚的濕度控制提供數據。

3.4 智能恒溫控制邏輯

智慧恒溫系統用于作物種植環境的溫度調節，根據節能環保的原則，該系統分別測量室內外溫度，并使用大功率溫室恒溫機和低功耗空氣循環器兩種方式實現自動恒溫管理，當室內溫度超過客戶指定的正常閾值時，系統需根據溫室外溫度自行決定啟動恒溫設備，由此實現智能低功耗控制系統。智慧溫室內部與外部的溫度、濕度數據，以及溫度調節設備是否啟動，需在云端實時顯示。其控制邏輯如圖13所示。

圖13 智慧恒溫系統邏輯圖

4 結果測試分析

數據基于OneNET云平臺的應用管理網頁提供的數據可視化，能夠提供WEB端來監控智慧大棚的環境參數，還可以實現遠程的控制功能，即可通過電腦或者移動終端訪問中國移動OneNET云平臺，查看溫濕度數據的變化及溫濕度的控制。在系統上電后，把軟件下載到STM32F103R6的存儲器中，復位后程序開始運行，登錄OneNET云平臺對數據的可視化進行編輯，能夠在界面上顯示環境參數數據，并能夠把控制命令下發到平臺，使恒溫機和低功耗空氣循環機執行相應的控制命令，從而實現大棚環境參數物聯網監控系統。

5 結束語

本文設計以STM32處理器為核心的終端硬件電路，分析了傳輸協議完成了軟件的編寫。測試結果表明，大棚環境參數物聯網監控系統具有成本低、功耗小、監測精度高、開發周期短等優點，該系統能夠實現對大棚溫濕度進行遠程監測的功能。在該系統上增加傳感器便可以對更多的大棚環境進行監測，同時也可以利用該平臺下發的命令對大棚的設備進行控制，實現對大棚的遠程監控。