基于嵌入式的農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

收稿日期 : 20180613* 基金項目 : 山東省高等學?？萍加媱濏椖?( NoJ18KA129) ; 山東省職業(yè)教育教改項目 ( No2019285) ; 山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目 ( No2018YF013)作者簡介 : 劉美麗 ( 1979) ，女 ， 碩士 ， 副教授 ， 主要研究方向為自動控制 、物聯(lián)網(wǎng) 、嵌入式開發(fā) 。基于嵌入式的農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計*劉美麗1， 2， 李曰陽1， 李 震1( 1山東農(nóng)業(yè)工程學院 機械電子工程學院 ， 濟南 250100;2山東交通學院 軌道交通學院 ， 濟南 250357)摘 要 : 以 “農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中作物生長環(huán)境層次化及其數(shù)據(jù)融合研究 ”項目 、“真實農(nóng)業(yè)應用驅(qū)動下的高職電氣自動化技術(shù)專業(yè)的教學模式改革與應用研究 ”項目和 “智能遙控自走式噴霧機 ”項目為依托 ， 基于山東農(nóng)業(yè)工程學院課程教學改革的研究 ， 通過對我國當前農(nóng)業(yè)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀和需求的分析 ， 精心設(shè)計了一款基于 STM32 微控制器的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度與光照強度的嵌入式控制系統(tǒng) 。該系統(tǒng)通過 DHT11 溫濕度傳感器和 GY30光照強度傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息 ， 采集到的信息傳輸?shù)?STM32 單片機控制中心 ， 控制中心對其進行處理并發(fā)出控制信號 ， 很好地實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚的溫濕度和光照強度的檢測和控制 。該系統(tǒng)操作簡單 ， 成本低 ， 精度高 ， 適合我國大部分地區(qū)中小型農(nóng)戶使用 。關(guān)鍵詞 : 嵌入式控制系統(tǒng) ; 溫濕度傳感器 ; 光照強度傳感器中圖分類號 : TP273 文獻標識碼 : A DOI 編碼 : 10. 14016/jcnki. 10019227. 2019. 12. 141Design of monitoring and controlling system based on embeddedenvironment of crop growingLIU Meili1， 2， LI Yueyang1， LI Zhen1( 1School of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural and Engineering University， Jinan 250100， China;2School of ail Transportion， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China)Abstract: Based on the “Internet of things of agriculture crop growth environment in the hierarchical and data fusion re-search“ project， “real agricultural application driven by higher vocational teaching model reform and application of electricalautomation technology professional research“ and “ smart remote control selfpropelled sprayer and“ projects， based on theteaching reform of shandong institute of agricultural engineering research， through to the current status of development of agri-cultural equipment in our country and the demand analysis， a model based on the STM32 MCU agriculture greenhouse temper-ature and humidity and light intensity of the embedded control system is carefully designedThe environmental information ofagricultural greenhouses is collected through DHT11 temperature and humidity sensor and GY30 light intensity sensor， andthe collected information is transmitted to STM32 MCU control center， which processes it and sends out control signals， thusthe detection and control of temperature is realized， humidity and light intensity of agricultural greenhousesThe system is sim-ple in operation， low in cost and high in accuracy， and it is suitable for small and mediumsized farmers in most areas of Chi-naKey words: Embedded control system; temperature and humidity sensor; Light intensity sensor0 引言自古以來中國是農(nóng)業(yè)大國 ， 溫室大棚在國內(nèi)應用廣泛 1。農(nóng)作物的生長需要合適的空氣溫濕度 、光照強度 、肥量 、土壤濕度等外部條件 2， 傳統(tǒng)大棚中的這些環(huán)境參數(shù)大多數(shù)是由人來控制 34， 不但人力勞動強度大 ，效率低下 ， 效果也很不理想 。伴隨著嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 智能大棚得到了逐步應用 ， 通過以微控制器為核心的自控系統(tǒng)進行大棚環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié) 。本設(shè)計以 STM32F103ZET6 微控制器為主控芯片 ， 以 GY30 傳感器和 DHT11 傳感器為檢測芯片進行設(shè)計 ， 實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境參數(shù)進行檢測和控制 。1 總體設(shè)計思路本文設(shè)計的溫室大棚自動控制系統(tǒng)分為檢測 ( 溫濕度 、光照強度等數(shù)據(jù)檢測 ) 、顯示 、控制三部分 。其中檢·141·自動化與儀器儀表 2019 年第 12 期 ( 總第 242 期 )測光照強度的傳感器采用 GY30，檢測溫濕度的傳感器采用 DHT11， 數(shù)據(jù)顯示屏采用 ILI9341LCD。系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖 1 所示 。圖 1 總體框圖溫濕度傳感器和光照強度傳感器采集溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息 ， 并將采集到的大棚環(huán)境信息傳遞到微控制器上 ， 微控制器對信息進行計算 、分析 、處理后向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號 ， 啟動相應的執(zhí)行機構(gòu) ， 并將采集到的信息顯示在顯示屏上 。當有需要時 ， 用戶通過按鍵實現(xiàn)手動與自動控制的切換 ， 也可以通過按鍵調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置的初始參照值 。形成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng) ， 便于實時調(diào)節(jié)大棚內(nèi)作物的生長環(huán)境 。2 工作原理整個系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖 2 所示 。當系統(tǒng)通電后 ， 各個子系統(tǒng)開始工作 ， 并且微控制器對各子系統(tǒng)進行監(jiān)控 ， 當需要手動控制時按下相應的按鍵 、產(chǎn)生相應的按鍵中斷轉(zhuǎn)向人工控制 。當不需要人工控制時 ，檢測系統(tǒng)將檢測到的溫濕度及光照強度值傳遞到主系統(tǒng) ， 主系統(tǒng)將參數(shù)通過顯示系統(tǒng)顯示在 LCD 屏上 ， 并將各參數(shù)與系統(tǒng)預先設(shè)定范圍的上下限比較 ， 當發(fā)現(xiàn)某參數(shù)超出預先設(shè)定的界限時 ， 發(fā)出控制信號 ， 啟動相應的執(zhí)行機構(gòu) ， 調(diào)整相應的參數(shù) ， 直至參數(shù)返回設(shè)定范圍 。圖 2 工作原理示意圖3 微控制器介紹STM32 系列微控制器具有極高的性能 、豐富合理的外設(shè) 、強大的軟件支持以及全面的技術(shù)文檔等優(yōu)點 5，而且價格便宜 ， 所以廣泛應用于各種控制系統(tǒng) 。本文采用的控制芯片為 STM32 系 列 的STM32F103ZET6 微控制器 ， 傳感器與該微控制器的 I/O連接 ， 實現(xiàn)溫濕度與光照強度采集 ， 由微控制器分析處理并實現(xiàn)控制 。STM32F103ZET6 是一款常用的增強型系列微控制器 ， 內(nèi)核為 AM 的 32 位 CortrxM3 CPU，內(nèi)置高速存儲器 ， 能夠在40 +105 的溫度范圍之間工作 6， 而且功耗比較低 ， 非常適合本課題的研究設(shè)計工作 。采用卷簾 、排風機等設(shè)備調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的光強和溫度 ?？扉T和排氣扇需要 220 V 電機驅(qū)動 ， 控制器不能直接控制 。這里采用小型電控箱驅(qū)動電機 ， 確保電路安全 。4 光照強度采集采用 GY30傳感器作為光照強度的檢測元件 。該傳感器的光照范圍為 065535lx，接近于視覺靈敏度的分光特性 。GY30與 STM32F103ZET6 連接線如圖 3 所示 。圖 3 GY30與 STM32 的接線圖VCC 需要的電源電壓為 5 V， 低功耗性能可使其工作在 3. 3 V 電壓下 ， 仍然能正常工作 。GND 和 ADD 接地 ， SCL 和 SDA 端分別接 STM32 的 PB10 和 PB11 引腳 。GY30 光照強度傳感器通過 IIC 進行數(shù)據(jù)傳輸 ， 內(nèi)置16 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 7， GY30 檢測到光照后 ， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電壓值 ， 然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 16 位數(shù)字形式的數(shù)據(jù) ， 直接輸出 ， 不需要經(jīng)過復雜的計算和算法過程 。光照強度數(shù)據(jù)采集電路圖如圖 4 所示 。圖 4 GY30數(shù)據(jù)采集電路5 溫濕度采集DHT11 傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器 8。該傳感器具有一個 NTC 測溫元件和一個電阻式感濕元件 9， 它具有品質(zhì)優(yōu)良 、反應快 、超長的信號傳輸距離 、卓越的長期穩(wěn)定性 、抗干擾能力強 、性價比高等優(yōu)點 。其濕度測量范圍為 20%90%H， 誤差不超過 10%H， 可溫度測量范圍為 050 ， 誤差不超過 4 。數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖 5 所示 。圖 5 DHT11 數(shù)據(jù)采集電路6 數(shù)據(jù)通信單片機和傳感器的組合需要特定的通信協(xié)議 ， 使兩者能夠進行數(shù)據(jù)交換 。·241·基于嵌入式的農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計 劉美麗 ， 等61 GY30 數(shù)據(jù)傳輸STM32 與 GY30 傳感器之間傳輸數(shù)據(jù)采用 IIC 通信方式 。IIC 總線有兩種總線結(jié)構(gòu) 。其中一行 SDA 稱為數(shù)據(jù)線 ， 另一行 SCL 稱為時鐘線 。IIC 總線沒有專用數(shù)據(jù)線 、控制線和地址線 。所有連接到 IIC 總線的設(shè)備都有自己的地址作為標識來標識每個設(shè)備 。GY30傳感器與 IIC 總線的接口原理如圖 6 所示 。圖 6 GY30數(shù)據(jù)傳輸接線62 DHT11 數(shù)據(jù)傳輸單總線通信采用信號線傳輸時鐘和數(shù)據(jù) ， 是雙向數(shù)據(jù)傳輸 。當單個總線中的一個芯片開始工作時 ， 其他設(shè)備暫時與總線斷開連接 ， 只參與這一次通信 。DHT11 溫濕度傳感器通過單總線通信將采集到的信息傳輸給單片機 10。一次完整的數(shù)據(jù)采集傳輸包括 8 bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) 、8 bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) 、8 bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù) 、8 bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)和 8bit 校驗位 ， 即完成一次完整的數(shù)據(jù)采集共傳輸 40 bit 數(shù)據(jù) 。數(shù)據(jù)正確傳送時按照這個順序顯示結(jié)果的末 8 位 ， 其中 ， 小數(shù)部分用于擴展 ， 此處不使用 ， 所以讀數(shù)為 0。7 實驗數(shù)據(jù)本系統(tǒng)采用 ILI9341 液晶顯示屏 ( LCD) 對采集的信息進行實時顯示 ， 采集結(jié)果直觀 地 顯 示 在 屏 幕 上 。ILI9341 是帶電阻的 32 寸薄膜晶體管液晶顯示器 ( ThinFilm TransistorLiquid Crystal Display， TFT LCD) ， 具有低壓 、微功耗特性 ， SPI 串口 ， 輸入電壓在 2. 83. 3 V 范圍 ，分辨率為 240×320， 65 kB彩色 ， 在嵌入式控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 。實驗測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖 7 所示 。檢測到的當前溫度為 26 ， 濕度為 48%， 光照強度為17lx， 實驗結(jié)果真實可靠 。圖 7 實驗測試結(jié)果8 結(jié)論通過 GY30光照強度傳感器 、DHT11 溫濕度傳感器和 STM32 微控制器設(shè)計了一款溫室大棚空氣溫濕度及光照強度的自動控制系統(tǒng) 。完成了參數(shù)的自動檢測 ，并根據(jù)檢測數(shù)據(jù)與預先設(shè)定的參照值的上下限進行對比完成自動控制 。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過 ILI9341LCD 顯示屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示 。用戶可以通過按鍵實現(xiàn)手動控制溫濕度及光照強度參數(shù)以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)初始設(shè)置的參照值 。通過實際測試 ， 傳感器采集的信息較為準確 ， 反應靈敏 ， 微控制器能夠進行準確控制 ， 數(shù)據(jù)準確可靠 ， 精度高 。參 考 文 獻 1 樊健 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的溫室大棚監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計 D 安徽 : 安徽大學 ， 2016 2 宋衛(wèi)海 ， 劉美麗 基于 STM32 的 PM25 空氣檢測系統(tǒng)的設(shè)計 J 山東農(nóng)業(yè)工程學院學報 ， 2019， 36( 01) : 4144 3 蔣鵬飛 ， 曹偉 ， 董巍 遠程農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 J 自動化與儀表 ， 2016，( 2) : 1216 4 高偉民 基于 ZigBee 無線傳感器的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)應用設(shè)計 D 大連 : 大連理工大學 ， 2015 5 王博 ， 劉忠富 ， 莊婧昱 ， 等 基于 STM32 的無線溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 J 電子測量技術(shù) ， 2017，( 6) : 4852+63 6 劉俊巖 ， 張海輝 ， 胡瑾 ， 等 基于 ZigBee 的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) J 農(nóng)機化研究 ， 2012， 34( 1) : 111114 7 Liu Meili， Embedded Automatic Control System for Temper-ature， Humidity and Light Intensity in Agricultural Green-houses， C / /Proceedings of the 2nd International Sympo-sium on Computer Science and Intelligent Control， Septem-ber， 2018 8 Lu H G ， Li C Y ， Jiang J P Application of IntelligenceControl in Agriculture Greenhouses J Applied Mechanicsand Materials， 2015， 719720: 293297 9 Sivagami A， Hareeshvare U， Maheshwar S， et alAutomatedIrrigation System for Greenhouse Monitoring J Journal ofthe Institution of Engineers， 2018，( 2) : 19 10 Lafont F， Balmat J F， Pessel N， et alA modelfree controlstrategy for an experimental greenhouse with an applicationto fault accommodation J Computers Electronics in Ag-riculture， 2015， 110( C) : 139149 11 李亞利 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D 北京 : 華北水利水電大學 ， 2016 12 Prabhu BEnvironmental Monitoring and Greenhouse Controlby Distributed Sensor Network J International Journal ofAdvanced Networking Applications， 2016 13 莫先 基于 STM32 單片機家電控制及家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) D 重慶 : 重慶理工大學 ， 2016 14 宋衛(wèi)海 ， 劉美麗 ， 邢建平 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計 、開發(fā)與應用 M 延邊大學出版社 ， 201808 15 薛軍娥 ， 趙敏 ， 丁長明 ， 等 一種基于 STM32F103ZET6 芯片的通用工業(yè)控制核心板 : ， CN 204215181 U P 2015 16 劉永琦 基于 msp430f5529 和 DHT11 的溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 J 科技展望 ， 2016， 26( 3) 17 倪天龍 單總線傳感器 DHT11 在溫濕度測控中的應用 J 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 ， 2010， 10( 6) : 6062 18 Gay W WDHT11 Sensor J Experimenting with aspberryPi， 2014: 113 19 劉博 基于 BH1750 光照強度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 J 河南科技 ， 2016，( 13) : 2728 20 張才忠 WEB 前端開發(fā)技術(shù) M 延邊大學出版社 ，2019，( 5) ·341·自動化與儀器儀表 2019 年第 12 期 ( 總第 242 期 )