基于STM32的果蔬儲藏環境監測與管理系統

張秋晶，古棟笙，邱金波，吳潔華

（廣東石油化工學院 自動化學院，廣東 茂名 525000）

通過對嵌入式系統和各類果蔬儲藏條件的學習與研究，根據果蔬儲藏環境中對不同參數的監測要求，經過對相關軟件和硬件的相互結合，本文初步設計出功能良好、使用方便、符合環保理念的一種基于STM32果蔬儲藏環境監測與管理系統。

1.系統總體方案設計

對果蔬儲藏環境需要監測參數的檢測方案主要是對溫度、濕度和二氧化碳含量等數據的采集，通過溫濕度二氧化碳傳感器對三種環境參數進行實時檢測然后將數據反饋給主控部分，三種環境參數信息經過主控部分處理轉換后在TFT顯示屏中實時顯示出來。主控核心通過驅動WIFI無線傳輸模塊，將環境參數傳感器采集到的數據通過無線傳輸的方式傳輸到上位機中。上位機接收到實時數據后將其于網頁端進行實時顯示，用戶在線上可以觀察到當前果蔬存儲環境中三種不同的實時數據信息，進行數據變化趨勢的觀測與分析，便于后續的分析與環境管理。

系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2.系統硬件模塊設計

2.1 硬件的總體設計

在本系統的硬件電路部分中，采用STM32F103ZET6的32位單片機用于硬件系統的控制核心，為實現對果蔬儲存環境的溫度調節，在本硬件電路部分中還增加了對半導體制冷模塊進行PWM信號控制的MOS管驅動電路。

本系統硬件設計結構框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計結構框圖

2.2 主控芯片

主控制模塊是由 STM32F103RTC6 單片機最小系統構成，該控制器具有高性能、低成本、低功耗等特點，采用性能較高的ARMCortex-M3 的32位的RISC內核，工作頻率是72MHz，內部有高速存儲器，具有豐富的增強型GPIO端口和連接到兩條APB總線的外設[1]。

2.3 溫濕度二氧化碳傳感器

溫濕度二氧化碳傳感器采用集成模塊的方式，將STM8微處理器芯片、HDC10800數字濕度傳感器和CCS811二氧化碳含量傳感器集成在一塊小型PCB板中[3]，STM32單片機可與STM8微處理器的串口直接進行數據通訊，不同于經常見到的DS18B20溫度模塊和DHT11濕度模塊，以CCS811為內核的集成模塊通過搭載新型溫濕度傳感器，可以在接收外部讀取信號后實現多種環境參數的智能檢測，并通過微處理器內置的數模轉換器進行轉換后，通過串口直接對外輸出當前溫度、濕度和二氧化碳含量的準確數值，極大地縮短了系統開發與調試時間。

2.4 WiFi模塊

WIFI模塊選擇的芯片是由樂鑫公司研發的一款ESP8266物聯網芯片模塊，這是一款專門為物聯網和移動設備設計的無線模塊，具有超低功耗、超低時延和性能穩定等多項優點，ESP8266模塊集成了微處理器芯片，芯片內部包含射頻電路、電源管理電路、晶振電路、MAC和四種通用接口電路。四種通用接口電路分別是SDIO、SPI、GPIO和I2C通訊接口，可對各類外設進行通訊和控制，適用于各種物聯網應用場合，ESP8266模塊還支持豐富的AT指令，使用人員可以通過AT指令集對模塊進行管理和控制。ESP8266模塊支持的三種工作模式如下表所示：

表1 ESP8266模塊的三種工作模式

2.5 半導體制冷模塊

半導體制冷模塊主要由半導體制冷片、熱端散熱片和散熱風扇組成[3]。半導體制冷片是由一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料相互聯結組成的一種熱傳導材料，當向半導體制冷片兩端通以電流時，半導體制冷片兩端發生熱量傳導作用，使冷端的熱量通過熱傳導傳遞到熱端，制冷片兩端就會產生一定的溫度差，從而實現半導體制冷的目的。

經過實驗表明，本系統配合的果蔬儲藏環境模擬試驗箱空間有限，僅僅使用一塊半導體制冷片足以對箱體密閉空間產生比較好的制冷效果，在對半導體制冷模塊進行最大功率運行時，無空氣流通的密閉箱體內溫度從25℃降至0℃的時長為10分鐘。

3.系統軟件設計

3.1 總體系統設計方案

基于STM32的果蔬儲藏環境監測與管理系統的系統軟件設計分為主程序設計、溫濕度二氧化碳傳感器程序設計、WIFI模塊程序設計、TFT顯示模塊程序設計和PWM控制程序設計。硬件系統進行通電后，STM32單片機需要對芯片內部系統時鐘、各類通用寄存器以及通用輸入輸出接口GPIO進行初始化設置，同時對溫濕度二氧化碳傳感器、WIFI模塊程序和TFT顯示模塊程序進行初始化驅動。儲藏環境監測系統在正常工作過程中，主程序調用溫濕度二氧化碳傳感器的串口通信函數程序，對傳感器采集到的環境參數進行讀取收集，再通過調用WIFI模塊驅動程序將數據進行發送。PC機將接收的數據于網頁端進行實時動態顯示，到這一步便以實現了對果蔬儲藏環境的監測功能。本系統的軟件總體流程圖如圖3所示。

圖 3 軟件總體流程圖

3.2 主程序部分

本系統主程序共由四部分組成，第一部分：對STM32系統運行的必要庫函數和子程序模塊部分進行包含，否則在編譯系統程序時會提示無法找到該函數文件。第二部分：對主程序內所需的變量進行設置與幅值。第三部分：對包括溫濕度二氧化碳傳感器程序部分、WIFI模塊程序部分、顯示屏程序部分、PID控制算法部分和PWM輸出程序的初始化函數進行初始化，完成子程序內各變量值的設定。第四部分：對溫濕度二氧化碳模塊進行串口通信，通過特定的AT指令將傳感器采集的環境參數采回并儲存。將傳感器采集回來的數值進行轉換，調用WIFI模塊發送函數將結果發送至PC端。調用屏幕顯示函數把轉換后的環境參數實時顯示到TFT屏幕中。主程序執行框架圖如圖7所示。

圖4 主程序執行框圖

4.結語

本文主要介紹了一種基于STM32的果蔬儲藏環境監測與管理系統，對現階段無法完全復現的儲藏環境進行了試驗箱模擬。本系統根據半導體制冷片特性，利用PID控制算法的原理控制STM32輸出對應的PWM信號，進而控制半導體制冷片的功率，最后達到控制密閉空間溫度的結果，初步達到了對果蔬儲藏環境的監測與溫度管理功能。