基于STM32的綠植生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

莫姜毅, 張凱婷, 丁洪豐, 趙 帥

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

0 引言

隨著智能家居的普及和發(fā)展，人們對(duì)家居生活環(huán)境質(zhì)量的需求也日趨提高. 綠植作為家居裝飾不可或缺的一部分,其健康生長會(huì)帶給家居一份恬靜與美好．據(jù)調(diào)查多數(shù)年輕人希望家居環(huán)境中能夠有一些綠植做裝飾,然而種植后卻經(jīng)常忘記照料或者因工作原因無法照料而達(dá)不到預(yù)期的效果．針對(duì)該現(xiàn)象,本文提出了一種基于STM32技術(shù)的作物生長參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)ψ魑锷L參數(shù)信息進(jìn)行采集、分析和處理,并能根據(jù)采集到的植物生長參數(shù)信息對(duì)不同的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，因而能夠讓用戶了解作物生長環(huán)境狀況，適時(shí)進(jìn)行自助灌溉、通風(fēng)、補(bǔ)光和調(diào)溫,同時(shí)還可以作為智能家居系統(tǒng)子系統(tǒng),為智能家居數(shù)據(jù)庫提供相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息[1]．

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

植物生長的關(guān)鍵因素主要有適量的光照、水和適宜的溫度,不同的綠植需要不同的生長環(huán)境,因此本文提出了一種綠植生長環(huán)境參數(shù)可測的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并針對(duì)檢測得到的參數(shù)加以分析、存儲(chǔ)并給出相應(yīng)的調(diào)控措施,如：加溫、散熱、澆水、通風(fēng)、補(bǔ)光等．根據(jù)智能家居物聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)模型[2-6],給出了系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖1所示．該系統(tǒng)包含無線感知節(jié)點(diǎn)、信息采集服務(wù)中心和圖形監(jiān)測界面三大部分．其中無線感知節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,是全功能節(jié)點(diǎn),承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、處理以及傳輸?shù)墓δ?，是系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)部分.

無線感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示．圖2中控制器負(fù)責(zé)各個(gè)環(huán)境信息的采集,并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理[7],同時(shí)給出輸出量并通過繼電器開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)執(zhí)行器的控制,將數(shù)據(jù)在LCD顯示模塊中進(jìn)行顯示,通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳給信息采集服務(wù)中心[8];溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器用來為系統(tǒng)的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集;加熱繼電器、散熱繼電器、通風(fēng)繼電器、補(bǔ)光繼電器和水泵繼電器為系統(tǒng)提供相應(yīng)的執(zhí)行器動(dòng)作,進(jìn)行加熱、散熱、通風(fēng)、補(bǔ)光和灌溉等功能操作;LCD顯示模塊用來進(jìn)行環(huán)境信息的顯示,方便用戶現(xiàn)場讀取信息;無線通信模塊將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)信息通過無線傳輸模式傳送給信息采集服務(wù)中心,供遠(yuǎn)程客戶端更好地了解植物生長環(huán)境并做出相應(yīng)的環(huán)境改善．

圖1 系統(tǒng)技術(shù)路線圖 圖2 無線感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)無線感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和配制,結(jié)合應(yīng)用環(huán)境的實(shí)際需求,選用NUCLEO-F303RE作為控制器.通過采用7.4 V航模電池和LM2596 DC-DC可調(diào)降壓模塊將電壓降至5 V后給系統(tǒng)控制器供電．

溫度傳感器選用體積小、功耗低的DHT11,光照傳感器選用光敏電阻K853518;土壤濕度傳感器選用Moisture Sensor；執(zhí)行控制器選用SRD-05VDC-SL-C繼電器,該繼電器低電平觸發(fā)有效,執(zhí)行元件選用水泵、補(bǔ)光燈、散熱風(fēng)扇、加熱棒等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M．繼電器的公共端接直流正極,執(zhí)行元件的VCC接NO端,執(zhí)行元件的GND接直流負(fù)極,當(dāng)信號(hào)觸發(fā)端有來自控制器的低電平觸發(fā)時(shí),公共端與常開端會(huì)接通,執(zhí)行元件通電工作,使環(huán)境參數(shù)達(dá)到理想范圍．此外,本系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線通信,避免線路紛擾,使作業(yè)人員更加方便觀測到作物生長信息,節(jié)省人力物力消耗．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)的整體技術(shù)路線和傳感節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序如圖3所示．系統(tǒng)通過相應(yīng)傳感器對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集,采集的信息經(jīng)控制器的軟件程序處理后,通過藍(lán)牙模塊將匯聚信息發(fā)送到上位機(jī)并在LCD上顯示;同時(shí)將采集的信息與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,如果采集的參數(shù)結(jié)果超出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍,控制器就會(huì)給執(zhí)行控制器發(fā)出指令,執(zhí)行元件就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作．

3.1.1 溫度子程序

當(dāng)溫度傳感器檢測到外界溫度小于或等于20℃時(shí),加熱繼電器開啟;當(dāng)溫度傳感器檢測到外界溫度大于或等于30℃時(shí),散熱繼電器開啟;當(dāng)溫度傳感器檢測到外界溫度大于20℃且小于30℃時(shí),加熱和散熱繼電器均關(guān)閉．

3.1.2 土壤濕度子程序

當(dāng)采集的土壤濕度參數(shù)值(傳感器采集數(shù)值)大于或等于900時(shí),通風(fēng)繼電器關(guān)閉,水泵繼電器開啟,給農(nóng)作物澆水；當(dāng)濕度值小于或等于600時(shí),水泵繼電器關(guān)閉,通風(fēng)繼電器開啟；當(dāng)濕度值大于600小于900時(shí),水泵和通風(fēng)繼電器均關(guān)閉．

3.1.3 光照強(qiáng)度子程序

當(dāng)光照傳感器檢測到光照值(傳感器采集數(shù)值)小于或等于300時(shí),補(bǔ)光燈繼電器開啟;當(dāng)采集的光照值大于300時(shí),補(bǔ)光燈繼電器關(guān)閉．

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)選用在LabView軟件上開發(fā)交互界面,主要包括登錄界面、數(shù)據(jù)采集顯示界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示界面、圖像信息顯示界面等;其中,數(shù)據(jù)顯示界面通過兩種方式展示,一種是采用數(shù)值顯示控件顯示,實(shí)時(shí)刷新顯示采集到的溫室環(huán)境參數(shù);另一種是通過波形圖控件顯示,可以更直觀地分開體現(xiàn)各參數(shù)的變化．當(dāng)采集的參數(shù)不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí),LabView界面上該參數(shù)旁的綠燈變成報(bào)警的紅燈．上位機(jī)流程如圖4所示．

圖3 主程序圖 圖4 上位機(jī)流程圖

4 系統(tǒng)測試分析

根據(jù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),測試分為數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩大部分．經(jīng)過測試,硬件數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)正常,并且反饋控制模塊能夠通過閾值進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)基本的監(jiān)控功能．軟件界面上,對(duì)測試節(jié)點(diǎn)端的溫度、濕度、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)顯示比例、波形圖像符合標(biāo)準(zhǔn),后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中有數(shù)據(jù)文件生成,并查詢成功. 上位機(jī)監(jiān)控交互界面如圖5所示．

圖5 上位機(jī)監(jiān)控交互界面

5 小結(jié)

本文設(shè)計(jì)的一種基于STM32的綠植生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感采集節(jié)點(diǎn)獲取植物生長環(huán)境參數(shù),并使用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),同時(shí)借助各個(gè)響應(yīng)模塊將植物生長所需環(huán)境參數(shù)進(jìn)行定量控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)綠植生長因子的實(shí)時(shí)監(jiān)控,可以促進(jìn)植物更好地生長.該系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等應(yīng)用方面具有一定的參考價(jià)值．