基于無(wú)線技術(shù)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙若愚

（萬(wàn)榮縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 運(yùn)城044000）

農(nóng)業(yè)大棚栽培農(nóng)作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起到了極其重要的作用，通過(guò)控制大棚內(nèi)的溫濕度等環(huán)境指標(biāo)可以減少農(nóng)作物的生產(chǎn)成本，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量，從而提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。農(nóng)業(yè)大棚對(duì)環(huán)境的要求比較高，如何實(shí)時(shí)的監(jiān)控和控制大棚內(nèi)的環(huán)境就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用人工采樣+實(shí)驗(yàn)室分析的方法進(jìn)行，這種方法成本高、效率慢、時(shí)效性差，而且不能對(duì)多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行在線檢測(cè)。針對(duì)這些缺陷，本文研究基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)GPRS 技術(shù)智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成本低、實(shí)施便利、維護(hù)方便，尤其是利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和綜合分析，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)便利。

1 無(wú)線通信技術(shù)

當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展使得工業(yè)、農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)信息化要求不斷增加，無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的傳輸模式，將現(xiàn)今產(chǎn)業(yè)從固定思維模式解放出來(lái)，通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)不需要中介轉(zhuǎn)換器，通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)這種技術(shù)以封包式來(lái)傳輸，使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，不會(huì)占用整個(gè)頻道，從而能夠便捷的與因特網(wǎng)互連，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件方案設(shè)計(jì)

該無(wú)線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心三個(gè)部分組成。硬件電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)是監(jiān)測(cè)終端部分的硬件電路，其采用了模塊化電路設(shè)計(jì)，包括電源模塊、微處理器模塊、顯示模塊、無(wú)線通信模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、開(kāi)關(guān)機(jī)模塊、提示音模塊。

2.2 微處理器模塊設(shè)計(jì)

STM32 系列的設(shè)計(jì)目的與方向就是高性能、低成本、低功耗。STM32 擁有低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器以及精確的內(nèi)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(shè)，STM32固件庫(kù)提供的函數(shù)可以使用戶可以很方便地驅(qū)動(dòng)STM32 的各個(gè)外設(shè)。由于固件庫(kù)的引入，使得開(kāi)發(fā)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(guò)兩個(gè)1N4001 串聯(lián)組成的電路將外部輸進(jìn)5V 電壓降至4V 為G24 模塊供電，此模塊與STM32 單片機(jī)通信方式采用串口通信，因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)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(tài)，本電路使用PMOS(AO3401)作為控制整個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)。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(gè)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(jī)損壞。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要考慮基本參數(shù)電壓范圍和電流容量，還要考慮電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾等。可靠的電源方案是系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)中通信模塊和空氣質(zhì)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(shù)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(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量，并且可將測(cè)試結(jié)果通過(guò)串口的向外發(fā)送。該傳感器模塊與單片通過(guò)串口（USART）進(jìn)行通信，故設(shè)計(jì)電路需把模塊的串口與STM32 單片機(jī)的串口連接起來(lái)。為確保供電的穩(wěn)定性，需在供電引腳添加100uF 的鋁電解電容和100nF 的無(wú)極性電容。

2.6 溫濕度傳感器模塊

AM2320 數(shù)字溫濕度傳感器是有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出溫度和濕度的復(fù)合型傳感器。濕度通過(guò)電容式感濕元件采集，溫度通過(guò)高精度集成測(cè)溫元件采集。AM2320 傳感器響應(yīng)時(shí)間快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高，同時(shí)可采用IIC 與微處理器進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以C 語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench for ARM，同時(shí)為了縮短開(kāi)發(fā)周期，采用了STM32 固件庫(kù)進(jìn)行。本系統(tǒng)的主要任務(wù)是：通過(guò)STM32單片機(jī)控制串口和I2C2 接收傳感器數(shù)據(jù)；通過(guò)串口控制GPRS無(wú)線通信模塊G24 發(fā)送數(shù)據(jù)包；通過(guò)4 線SPI 控制OLED 液晶屏顯示當(dāng)前采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)。

3.1 STM32 系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)初始化是整個(gè)程序的基礎(chǔ)部分，其決定了整體硬件的初始狀態(tài)。系統(tǒng)用到了串口、IIC、SPI、ADC 等功能，要進(jìn)行相應(yīng)的端口復(fù)用初始化。

3.2 G24 模塊控制程序

利用G24 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前應(yīng)進(jìn)行一系列初始化設(shè)置，包括檢測(cè)模塊是否正常工作，是否已有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，接入Internet網(wǎng)絡(luò)，與數(shù)據(jù)接收目標(biāo)中心進(jìn)行連接等。

正確完成上述操作后，可以開(kāi)始向服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)。由于服務(wù)器是在SAE 云計(jì)算平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Web 服務(wù)器，而Web 服務(wù)器與客戶端的通信使用HTTP 協(xié)議，在這里使用Get 方法通過(guò)URL 請(qǐng)求來(lái)傳遞，具體請(qǐng)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(guò)GPRS 發(fā)送這些代碼向服務(wù)器php 頁(yè)面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸

3.3 溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中AM2320 傳感器模塊與STM32 采用IIC 總線進(jìn)行通信，程序過(guò)程設(shè)計(jì)如下：

3.3.1 喚醒模塊。降低自身發(fā)熱帶來(lái)的誤差，在非工作模式下處于休眠狀態(tài)。STM32 發(fā)送起始信號(hào)加起始地址后，等待一段時(shí)間,發(fā)送停止信號(hào)。

3.3.2 發(fā)送讀或?qū)懼噶?。主機(jī)發(fā)送指令為：START+0xB8（SLA）+0x03(功能碼)+0x00(起始地址)+0x04(寄存器長(zhǎng)度)+STOP。

3.3.3 讀返回?cái)?shù)據(jù)和確認(rèn)信號(hào)，讀取回來(lái)的第3 和第4 個(gè)字節(jié)為當(dāng)前濕度值的100 倍，第5 和第6 個(gè)字節(jié)為當(dāng)前溫度值的100 倍。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心將用新浪SAE 云計(jì)算平臺(tái)作為后臺(tái)服務(wù)器，微信公眾平臺(tái)進(jìn)入開(kāi)發(fā)者模式，讓微信用戶能隨時(shí)查看服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，了解到本系統(tǒng)設(shè)備所在區(qū)域的溫度、濕度和PM2.5的參數(shù)值，如圖2。

圖2 監(jiān)控中心與查詢系統(tǒng)

5 系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)主要對(duì)TP5410、AZ1117-3.3 的穩(wěn)定性和溫濕度傳感器、顆粒物傳感器的準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試。單片機(jī)需要3.3V 穩(wěn)定的直流電壓供電，如果電壓信號(hào)產(chǎn)生的雜波很多，會(huì)影響系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換，同時(shí)給數(shù)據(jù)的通信產(chǎn)生很大的干擾，不利于數(shù)據(jù)的采集。因此，在電源的輸入與輸出端都增加了相應(yīng)的電容。

由于硬件原因，在對(duì)溫濕度、PM2.5 的數(shù)據(jù)采集，會(huì)采集到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)利用軟件的靈活多變性，對(duì)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，以彌補(bǔ)硬件的不足。測(cè)試發(fā)現(xiàn)在GPRS 模塊的電源輸入端增加470uF 的電解電容，會(huì)減少G24 掉線的可能性。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的PM2.5、溫度、濕度等農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的功能。以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸平臺(tái)，利用其傳輸速率高、實(shí)時(shí)在線、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高等優(yōu)點(diǎn)將指定時(shí)間點(diǎn)的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器供用戶查看，效果良好。