有機蔬菜種植環境監測系統

蘇鵬鑒?馬海琴

摘 要：隨著人們生活水平不斷的提高，對蔬菜的品質要求也越來越高。人們都希望能吃上綠色的有機蔬菜，但由于有機蔬菜種植過程要求禁止使用農藥、化肥、生長調節劑等化學物質，有機蔬菜生長過程會比較慢，因此，本論文主要介紹有機蔬菜種植過程中環境參數的監測系統。監測系統測量蔬菜種植的環境參數主要有土壤PH值、光照強度、土壤水分、環境溫度等。

關鍵字：種植環境;監測系統;土壤PH值

1.前言

本文設計一款易于使用、性價比高、實時性好的蔬菜環境監測系統，對種植環境的相關參數如：土壤PH值、光照強度、空氣溫度、土壤水分等參數進行實時監控，為了解決模種植有機蔬菜生長慢的問題，本設計對有機蔬菜種植環境進行監測，監測系統框圖如下圖1所示，下面對設計使用的各個部分做簡要說明。

2. 電源模塊

電源是電子設備不可缺少的重要組成部分。本系統的電源需要輸出一個3.3V電壓。3.3V電源主要為主控電路和各傳感器供電，功率要求20W，紋波50mV。設計使用變壓器的功率為20W，輸入的電壓值為市電220V，周期為20ms（頻率為50HZ），經過降壓與全橋整流濾波后直流電壓為6.2V。6.2V電壓輸入到穩壓芯片LM2596的1腳，由2腳輸出3.3V直流電壓。

3.微處理器模塊

主控芯片采用基于ARM Cortex-M 內核的32位的微控制器STM32F103C8T6，其RAM容量是20KB，程序存儲器FLASH容量是64KB，符合設計所需容量要求。其工作溫度為-40℃～85℃，合適在戶外環境工作。系統時鐘最高可到72MHz，能滿足數據快速處理的要求。自帶10通道12位模數轉換器，可進行高精度多通道的AD采集。

4. 顯示模塊

顯示模塊采用分辨率為128 *64的OLED，供電電壓3.3V，該OLED有多種接口方式，包括6800和8080 兩種并行接口方式，3線或4線的串行SPI接口方式，2根線控制IIC 接口方式，接口方式選擇由屏上的BSO～BS2來配置選擇。在本設計中采用IIC接口方式，能節約IO引腳。128 *64OLED屏本質是有128×64個小燈泡組成，為了方便使用，可以將其分成16*8個小方格，每個小方格由8×8的小燈泡組成，想要一個8×8的字符剛好可以在這一個小方格內顯示，表達一個8×8的字符則需要8個字節。通常，可用LCD取模軟件得到字符的字模。

5. 傳感器模塊

5.1 GY-39傳感器模塊

GY-39是一款集光照強度、溫濕度及大氣壓強的傳感器模塊，工作電壓在3-5V，工作電流5mA，功耗小，工作溫度在-40°～85°。GY-39模塊采用BMF280高精度低能耗的數字氣壓傳感器芯片和MAX44009光強度傳感芯片。BMF280通過IIC接口實現訪問，該芯片可測量空氣中的壓力、溫度、濕度等環境參數。同時，模塊自帶MCU，MCU負責收集傳感器數據，統一處理后直接輸出計算結果，STM32單片機可以直接讀出MCU輸出的數據。STM32單片機與模塊MCU的通信方式有2種，串口UART或IIC。串口UART通信方式時，波特率有9600bps與115200bps兩種，每一幀通常有8-13個字節的十六進制數，每一幀數據格式為：幀頭標志+數據類型（監測對象數據）+數據字節數+數據+檢驗和。其中，幀頭表示為2個字節數據0X5A，數據類型有0X15表示光照強度，0X45表示溫度、氣壓、濕度、海拔。設數據Byte1- Byte10為光照強度計算公式（lux）：Lux=（Byte1<<24）|（Byte2<<16）|（Byte3<<8）| Byte4。溫度計算公式（℃）：T=（（Byte1<<8）| Byte2）/100。氣壓計算公式（pa）：P=（（Byte3<<24）|（Byte4<<16）|（Byte5<<8）| Byte6）/100。濕度計算公式（%）：Hum=（（Byte7<<8）| Byte8）/100。海拔計算公式（m）：H=（（Byte9<<8）| Byte10）。檢驗方式采用將數據累加，取結果的低八位數據進行校驗。在IIC通信模式下，要求通信時鐘低于40KHZ，幀數據讀取間隔應小于10HZ，否則存在數據讀取錯誤風險。

5.2 土壤濕度傳感器

監測土壤濕度采用常用市面上常見的電容式土壤濕度傳感器，該傳感器采用ECH20系列傳感器，傳感器上的薄膜聚合物因為周圍濕度改變，引起聚合物外膜相對介電常數ε與電容量變化。測量原理公式：=

式中：0 =8.854× 為真空介電常數（F/m）;為板間遮蓋面積（m2）;為板間電容量（F）;為板件厚度（m）;為含高濕敏性基材板件聚合物外膜介電常數（F/m）。

5.3 PH值傳感器

PH傳感器模塊采用PH4502C，該模塊設計有BNC復合電極接頭，必須要模塊與PH復合電極進行連接方可進行使用。模塊工作會使模塊溫度發生變化，需在軟件中進行溫補的功能。PH傳感器模塊輸出的是模擬電壓信號，使用STM32F103C8T6自帶的AD采集，來實現該部分所需的模數轉換功能。

市面上的PH復合電極品種類型各不一致，而且由于電極存在合體差異，在使用前還要進行電極PH值得校準工作，在得到很好的校準曲線后才能與PH值模塊通過BNC接口進行連接使用。

6. 藍牙模塊

設計使用HC-05 4.0藍牙模塊，該模塊低待機功耗，10m遠距離連接，采用CC2541芯片，配置256Kb空間，遵循V4.0BLE藍牙規范。模塊支持AT指令，用戶可根據需要對串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數進行更改并支持UART串口通信。

7.結束語

設計可在許多場合中應用，為種植蔬菜提供可靠的、準確的環境參數數據。

作者簡介：蘇鵬鑒 （出生于出生日期：1986.08）男 漢 廣西岑溪 本科? 職稱：工程師 研究方向：電子測量、嵌入式開發 工作單位：桂林電子科技大學

基金項目：課題來源：廣西壯族自治區教育廳;課題名稱：立體有機蔬菜種植環境監測系統研究;課題編號：2020KY05030