基于無線技術農業大棚環境質量監測系統的設計與實現

趙若愚

（萬榮縣農業農村局，山西 運城044000）

農業大棚栽培農作物在農業生產中起到了極其重要的作用，通過控制大棚內的溫濕度等環境指標可以減少農作物的生產成本，提高其產量和質量，從而提升農業生產力。農業大棚對環境的要求比較高，如何實時的監控和控制大棚內的環境就顯得尤為重要。傳統的環境質量監測系統一般采用人工采樣+實驗室分析的方法進行，這種方法成本高、效率慢、時效性差，而且不能對多點同時進行在線檢測。針對這些缺陷，本文研究基于無線網絡GPRS 技術智能農業大棚環境質量監控系統，設計成本低、實施便利、維護方便，尤其是利用無線網絡技術能夠對農業大棚內部環境進行實時檢測和綜合分析，給農業生產帶來便利。

1 無線通信技術

當代計算機技術和信息技術的發展使得工業、農業等產業信息化要求不斷增加，無線通信技術的發展開辟了新的傳輸模式，將現今產業從固定思維模式解放出來，通用無線分組業務不需要中介轉換器，通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統進行部分改造來實現，同時這種技術以封包式來傳輸，使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，不會占用整個頻道，從而能夠便捷的與因特網互連，具有實時在線、按量計費、高速傳輸等優點。

2 硬件方案設計

2.1 總體硬件方案設計

該無線環境質量監測系統主要由監測終端、通信網絡模塊、遠程監測中心三個部分組成。硬件電路設計重點是監測終端部分的硬件電路，其采用了模塊化電路設計，包括電源模塊、微處理器模塊、顯示模塊、無線通信模塊、空氣質量傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、數據存儲模塊、開關機模塊、提示音模塊。

2.2 微處理器模塊設計

STM32 系列的設計目的與方向就是高性能、低成本、低功耗。STM32 擁有低電壓檢測、調壓器以及精確的內部RC 振蕩器等功能。此外，該系列微處理器具有豐富的片上外設，STM32固件庫提供的函數可以使用戶可以很方便地驅動STM32 的各個外設。由于固件庫的引入，使得開發周期大大縮短。

2.3 GPRS 模塊

GPRS 通信模塊主要有控制電路、G24 模塊、SIM 卡，G24 模塊已通過兩個1N4001 串聯組成的電路將外部輸進5V 電壓降至4V 為G24 模塊供電，此模塊與STM32 單片機通信方式采用串口通信，因此，在電路設計時只需連接VCC、GND、TXD 和RXD 即可，而不必使用硬件握手引腳。為使更好的控制通信模塊的工作狀態，本電路使用PMOS(AO3401)作為控制整個模塊的開關。由于電平的不匹配，STM32F105CBT6 的高電平的電壓為3.3V，而AO3401 的柵極（G）需要給一個5V 的電平才能切斷GPRS 通信模塊的電源。因此選擇能容忍5V 電壓的GPIO，防止單片機損壞。

2.4 電源模塊設計

本設計需要考慮基本參數電壓范圍和電流容量，還要考慮電源轉換效率、噪聲、干擾等。可靠的電源方案是系統電路穩定可靠運行的基礎。系統中通信模塊和空氣質量傳感器需5V 電壓供電，微處理器、顯示、溫濕度傳感器等模塊需3.3V 電壓供電。

2.5 顆粒物傳感器模塊

PMS1003 是以數字接口形式輸出的顆粒物濃度傳感器，此傳感器采用激光散射原理，在特定角度收集散射光，得到散射曲線，利用基于米氏（MIE）理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量，并且可將測試結果通過串口的向外發送。該傳感器模塊與單片通過串口（USART）進行通信，故設計電路需把模塊的串口與STM32 單片機的串口連接起來。為確保供電的穩定性，需在供電引腳添加100uF 的鋁電解電容和100nF 的無極性電容。

2.6 溫濕度傳感器模塊

AM2320 數字溫濕度傳感器是有己校準數字信號輸出溫度和濕度的復合型傳感器。濕度通過電容式感濕元件采集，溫度通過高精度集成測溫元件采集。AM2320 傳感器響應時間快、抗干擾能力強、性價比高，同時可采用IIC 與微處理器進行通信。

3 系統程序設計

系統以C 語言作為開發工具，開發環境選擇集成開發環境IAR Embedded Workbench for ARM，同時為了縮短開發周期，采用了STM32 固件庫進行。本系統的主要任務是：通過STM32單片機控制串口和I2C2 接收傳感器數據；通過串口控制GPRS無線通信模塊G24 發送數據包；通過4 線SPI 控制OLED 液晶屏顯示當前采集數據。系統軟件設計采用模塊化程序設計。

3.1 STM32 系統初始化程序

系統初始化是整個程序的基礎部分，其決定了整體硬件的初始狀態。系統用到了串口、IIC、SPI、ADC 等功能，要進行相應的端口復用初始化。

3.2 G24 模塊控制程序

利用G24 模塊進行數據傳輸前應進行一系列初始化設置，包括檢測模塊是否正常工作，是否已有網絡覆蓋，接入Internet網絡，與數據接收目標中心進行連接等。

正確完成上述操作后，可以開始向服務器上傳數據。由于服務器是在SAE 云計算平臺開發的Web 服務器，而Web 服務器與客戶端的通信使用HTTP 協議，在這里使用Get 方法通過URL 請求來傳遞，具體請求代碼如下：

GET /upair.php?nt=78&nv=57876&np=235 HTTP/1.1

Accept: text/html, application/xhtml+xml

Accept-Language

Accept-Encoding: gzip, deflate

Host: airq.sinaapp.com

Connection: Keep-Alive

Cookie: saeut=14.146.81.23.1397363839407641

通過GPRS 發送這些代碼向服務器php 頁面進行數據的傳輸

3.3 溫濕度傳感器程序設計

本設計中AM2320 傳感器模塊與STM32 采用IIC 總線進行通信，程序過程設計如下：

3.3.1 喚醒模塊。降低自身發熱帶來的誤差，在非工作模式下處于休眠狀態。STM32 發送起始信號加起始地址后，等待一段時間,發送停止信號。

3.3.2 發送讀或寫指令。主機發送指令為：START+0xB8（SLA）+0x03(功能碼)+0x00(起始地址)+0x04(寄存器長度)+STOP。

3.3.3 讀返回數據和確認信號，讀取回來的第3 和第4 個字節為當前濕度值的100 倍，第5 和第6 個字節為當前溫度值的100 倍。

4 遠程監控中心設計

數據監控中心將用新浪SAE 云計算平臺作為后臺服務器，微信公眾平臺進入開發者模式，讓微信用戶能隨時查看服務器上的數據，了解到本系統設備所在區域的溫度、濕度和PM2.5的參數值，如圖2。

圖2 監控中心與查詢系統

5 系統的調試

系統主要對TP5410、AZ1117-3.3 的穩定性和溫濕度傳感器、顆粒物傳感器的準確度進行測試。單片機需要3.3V 穩定的直流電壓供電，如果電壓信號產生的雜波很多，會影響系統的A/D 轉換，同時給數據的通信產生很大的干擾，不利于數據的采集。因此，在電源的輸入與輸出端都增加了相應的電容。

由于硬件原因，在對溫濕度、PM2.5 的數據采集，會采集到錯誤的數據。本系統利用軟件的靈活多變性，對錯誤的數據進行丟棄，以彌補硬件的不足。測試發現在GPRS 模塊的電源輸入端增加470uF 的電解電容，會減少G24 掉線的可能性。

該系統實現了農業大棚實時監測環境的PM2.5、溫度、濕度等農作物生產質量指標的功能。以無線網絡作為遠程信號的傳輸平臺，利用其傳輸速率高、實時在線、網絡覆蓋率高等優點將指定時間點的環境質量數據上傳到服務器供用戶查看，效果良好。