智能大（dà）氣環境在線監測係統設計與（yǔ）實現

關鍵詞：智能環境監測；STM32單片機；服務器（qì）；物聯網技（jì）術

物聯網（wǎng）技術目前已經覆蓋到生活（huó）的各個方麵（miàn），是當前信息時代的主要技術之一。本創新（xīn）設計（jì）正是運用了物聯網技術，主要針對工業或現代農業的周邊環境參（cān）數進行實時監（jiān）測和控製，以達到環境保護和農業生（shēng）產現場環境控製的目（mù）的。本設計主要以ARM微處理器（qì）STM32為基礎構建數（shù）據處理模（mó）塊，基於物聯網技（jì）術，結合無線傳感技術通過網絡傳（chuán）輸（shū）實現對農業的環境監測，建立智（zhì）慧化、精準化（huà）的現代（dài）環（huán）境監測（cè）係統。準確、遠程、自動、實時監測環境，滿足精（jīng）準對環境監測的要求。

1方案（àn）介紹

本係統主要包（bāo）括三個層次。感知層：即數據采集層，利（lì）用STM32F103係（xì）列（liè）微處（chù）理器整合各種傳感器（溫濕度傳感器、土壤（rǎng）溫濕度傳感器、光照強度傳感器（qì）、CO2濃度傳感器）構建數據采集和處理終端，負者采集和處理農作（zuò）物生長環境參數。傳輸層：感知層所采集到的農作物生（shēng）長環境因（yīn）素參數通過無線網絡傳輸到雲服務器數據庫。應用層（céng）：即用戶端，Web網頁從數據獲取環（huán）境（jìng）的溫濕度、土壤（rǎng）溫濕度（dù）、光照強度、CO2濃度信息，並且以圖表形式實時（shí）顯示。同時，可（kě）根據獲取（qǔ）的（de）各（gè）類信（xìn）息進行灌溉、升溫降溫等控製[1]。

2硬件設計

2.1硬件硬件功能框圖

如（rú）圖1硬件框（kuàng）圖所示，本係統硬件電（diàn）路以STM32F103係列單片（piàn）機為核心搭建數據采集和處理電路（lù），整合溫濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳（chuán）感器，PM2.5濃度和PM10濃度，采用Wi-Fi通信模塊進行（háng）數據傳輸[2]。

2.2MCU模板設計

本係統（tǒng）中，CPU需要對多（duō）個傳感（gǎn）器數據（jù）進行采集和處理（lǐ），因此對CPU的處理性能、存儲容量和資源接口都有較高要求[3]。本次設計選用STM32F103係列（liè）單片機。經過評估STM32F103RCT6滿足本設計對CPU的需求。MCU最小係統電路包含了時鍾電路、複位電（diàn）路、配置電路、狀態（tài）燈、調試接口和去（qù）耦電容。在圖2中（zhōng），C9、C10、X1構成了時鍾電路，X1為8M晶振，經過CPU內部的PLL鎖相環進行倍頻後達（dá）到72M為（wéi）CPU提供時（shí）鍾信號（hào），C9、C10為起振電（diàn）容。R3、C11、K1構成了（le）複位電路，STM32係列單（dān）片機為低電平複位。上電時，單片機複（fù）位，單片機正常工作時複位引腳（jiǎo）NRST被上拉，保（bǎo）持高電平（píng）。若需要手動複（fù）位，按下複位按鍵K1，單片機複位引腳（jiǎo）NRST被拉低，單片機複位。R4-R7四個電阻構成了啟動模式配置電路，R4、R5為上拉電阻，R6、R7為下拉電阻。本電路中，R4、R5默認NC，單片機BOOT0和BOOT1被下（xià）拉，當BOOT1=xBOOT0=0從用（yòng）戶閃存啟動，這是正常（cháng）的（de）工（gōng）作模式。當需要改變單片機（jī）啟動模式時，可以通過改變R4-R7四個電阻的焊（hàn）接（jiē）狀態來改變BOOT0和BOOT1的電（diàn）平狀態（tài），從（cóng）而改變（biàn）單片機啟動模式。R1、LED1構成了狀態燈電路連接到單片機PA0口，當PA0輸出低時綠色LED被點亮（liàng）。可在軟件中（zhōng）讓PA0口（kǒu）以一定頻率改變狀態，當單片機正常工作，程（chéng）序正常運行時，LED會以一（yī）定頻率閃爍。通過狀態（tài）燈能方便判（pàn）斷單片機（jī）是否在正常工作，利於調試。CN2是串口調試（shì）接口和JTAG調試接口。C12—C17六個電容是MCU電源去耦電容，PCB布（bù）局時緊靠在MCU電源引腳，保（bǎo）證MCU供電穩定。

2.3傳感器模板設計

（1）溫濕度傳感器溫（wēn）濕度傳感（gǎn）器負責（zé）采集農作物生長環境中溫度和濕度（dù）信息，本設計運（yùn）用DHT11作為（wéi）溫濕（shī）度傳（chuán）感（gǎn）器（qì）。DHT11數字溫濕度傳感（gǎn）器是一款含有已校準（zhǔn）數字信號輸出的溫濕度複合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕（shī）度（dù）傳感（gǎn）技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。其電路圖如（rú）圖3所示。（2）光照（zhào）強度傳感器光照強度傳感器負責采集農作物生（shēng）長環境中的光照強度參（cān）數，本設計運（yùn）用數字（zì）式光照傳傳感器模（mó）塊GY-30作為光照（zhào）強度傳（chuán）感器。GY-30是一種（zhǒng）通用的光照度檢測模塊，內置模數轉換（huàn）電路，直接數（shù）字輸出。采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，內置16bitAD轉（zhuǎn）換器直接（jiē）數字輸出（chū），省（shěng）略複雜的計算，省略標定，不區分環境光源，接近於視覺靈敏度的分光特性。其（qí）電（diàn）路（lù）圖（tú）如圖4所示。（3）CO2濃度傳感器二氧化碳濃度傳感器負責采集農作物生長（zhǎng）環境中二氧化碳濃度信息，本設計運（yùn）用T6603-5作為（wéi）溫濕度傳感器。T6603-5是美國GE公司研（yán）發的一款基於紅外光學原理的氣體二氧化碳濃度傳（chuán）感器，比敏感體化學材料更具氣體選擇性。其電路圖如圖5所示。

2.4通信（xìn）模塊通信（xìn）模塊設計

本係統通信模塊采用ALIENTEK推出的一款高性價（jià）比UART-WIFI（串口-無線）模塊ATK-ESP8266，該模塊板載（zǎi）ai-thinker公司的ESP8266模塊。ATK-ESP8266模（mó）塊（kuài）采用串口（LVTTL）與（yǔ）MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串（chuàn）口與（yǔ）Wi-Fi之間的轉換。通過（guò）ATK-ESP8266模塊，傳統的串（chuàn）口設備隻是需要簡單的串口配（pèi）置，即可（kě）通過網絡（Wi-Fi）傳輸自己的數據[4]。ATK-ESP8266模塊支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V單（dān）片機係統。模塊支持串口轉Wi-FiSTA、串口轉AP和Wi-FiSTA+Wi-FiAP的模式，從而快速構建串口-Wi-Fi數據傳輸方案，方便設備使用互（hù）聯網傳（chuán）輸數據（jù）。ATK-ESP8266模塊支持LVTTL串口，兼容3.3V和（hé）5V單片（piàn）機係統,可（kě）以很方便地與單片機進行連接。本設計中為ATK-ESP8266模塊（kuài）供電（diàn）3.3V，模塊（kuài）串口I/O電平為：Voh（min）1.44V、Vol（max）0.18V、Vih（min）1.35V、Vil（max）0.45V，可直接與（yǔ）單片機I/O相連。電路的模塊接收數據（jù）TXD引腳與單片（piàn）機USART2_RXD（PA3）相連，模塊發送數據RXD引腳與單片機USART2_TXD（PA2）相連，模塊（kuài）複（fù）位RST引腳（jiǎo）與單片機PA1相連。

3軟件設計

3.1係統主程序結構

軟件係統分（fèn）為（wéi）數據采集、數據傳（chuán）輸、控製輸出三大部分，各（gè）部分采用多個進程協同完成功能，每個進程職責單一。通過（guò）Contiki嵌入（rù）式操作係統進（jìn）行各部分任務（wù）進程的調度[5]。係統主程序結構如圖6所示。

3.2數據采集流（liú）程

數據采集主要是指對各個傳感器輸出數字信（xìn）號的讀取，並存入FIFO隊列進行數據緩存，等待數據傳輸（shū）流程提取數（shù）據的過程。其中包括溫濕度傳感器串行（háng）數據讀取，二氧化碳濃度UART串口（kǒu）數據的讀取，土壤溫濕度和光照強度I2C串行總線數（shù）字信（xìn）號的讀取。

3.3數據傳輸流程

數據傳輸流程（chéng）主（zhǔ）要指的是從FIFO隊列提取各傳感（gǎn）器數據按照JSON格式打包後利用串口通過Wi-Fi傳輸數據的過程。詳細流程：感知（zhī）層傳感器數據字節流→字節轉（zhuǎn）FIFO節點結（jié）構體→放入接收FIFO緩存（cún）隊列→從接收緩存中依次（cì）讀取字節→判斷協議包頭相等→讀取整個首部→校驗首部→讀取數據（jù）域→校驗（yàn）數據和→存入協議包PackBlock結構體→存入接收包緩衝隊列→從接收包緩存（cún）中取出協議包→判斷包目標地址→刪除應答包→發送回應包→處理包。

3.4輸出輸（shū）出控製（zhì）流程

輸出（chū）控製流程是（shì）指Web運用層發（fā）出（chū）控製信號（hào）到感知層下位機收到數（shù）據包後解析數據包並做出相應控製的過程。詳細流程：應用層產生控製消息→cJSON封裝（zhuāng）消息→cJSON獲取JSON字符串→生成協議包PackBlock結構體→轉為待發送的字符流→字符流（liú）添加到未發送緩衝隊列→從未發送隊列取出字符流包（bāo）→指定通道發送字（zì）符流包→獲取字符（fú）流包→解析字符流包→做出（chū）相應控製。

4結語

本設計基本實現了預（yù）期功能，能實現遠程檢測農作物生長環境中的溫濕度、土壤溫（wēn）濕度、光照強度、CO2濃（nóng）度參數。本設計具有（yǒu）一定的實際應用價值，運用於現代農業生產中能（néng）準確獲（huò）取農作物生長過程所需的環境參數，有利於節約人力，降（jiàng）低成本，提（tí）高農作物質量。同時具（jù）有一定擴展性，不僅能運用於農業環境監控，也可適用於（yú）其他環境，例如將傳感器換成（chéng）PM2.5傳感器和有害氣體傳感器本係統就可運用於遠程空氣（qì）質量檢測。但（dàn）本（běn）設計還有（yǒu）很多不足之處，最大的不足之處在於控製部分不夠完善，由於（yú）對農業大棚中灌溉和升降溫等控製方式並不了解（jiě），而且基於成本限製，本設計的控製部分還隻是理論的設計，並沒有實際運用。同時，本設計（jì）通信是基於2.4G的Wi-Fi通信（xìn），這要求農業大棚內需要覆蓋Wi-Fi網（wǎng）絡，且Wi-Fi傳（chuán）輸距離有限，並且（qiě）沒有做多點監控的組網，後續需要做（zuò）較大改進。設（shè）計之（zhī）初電源部分（fèn）考慮的是利用太陽能加電池的方案。由於（yú）成本和時間（jiān）限製，最終改為從AC220V市電供電。後續改進時可優化電源設計。

參考文（wén）獻：

[1]吳健輝，易嘉聞，鄒玲，李孝春，楊敏.多點無線智能環境檢測（cè）係統設計[J].電子技術（shù），2015，44（11）:72-75+71.

[2]田均成，宋占偉.基於雲（yún）平台（tái）的智能農業環境檢測（cè）係統[J].電子技術與軟件工程，2017（06）:193.

[3]常欣，王琦（qí）.用STM32和（hé）ESP8266實現（xiàn）的可擴展物聯網係統[J].單片機與嵌（qiàn）入式係統（tǒng）應用，2018，18（12）:58-61.

[4]羅章，賈程乾，於津瓔，李佩錦，甘琳巧，劉帥.基於ESP8266的信號采集終端設計[J].電子世界，2018（23）:149-150.

[5]鐵玲，任海波.基於Contiki的無（wú）線傳感器（qì）網絡的6LoWPAN子網和互（hù）聯網互（hù）聯（lián）研究（jiū）[J].成都大學學報（自然科學版），2017，36（03）:262-264.

作者：汪思德 陳乙鑫 單位：西華大學計（jì）算機與（yǔ）軟件（jiàn）工程學院