温室大棚温湿度智能监控系统的设计与实现

张宝峰，杨 雷，朱均超，赵 岩，刘 娜

(1.天津理工大学电气电子工程学院，天津 300384；2.天津滨海茶淀葡萄科技发展有限公司，天津 300450)

温室大棚温湿度智能监控系统的设计与实现

张宝峰1，杨 雷1，朱均超1，赵 岩1，刘 娜2

(1.天津理工大学电气电子工程学院，天津300384；2.天津滨海茶淀葡萄科技发展有限公司，天津300450)

针对传统温室温湿度监控系统存在的稳定性和精度不足，以及温室大棚环境内布线复杂的问题，在现有的温室自动监控系统的基础上，搭建了基于STM32单片机的温室大棚温湿度智能监控系统。系统采用DS18B20温度传感器检测空气温度，SHT10湿度传感器检测空气湿度。检测数据结果通过串行通信发送至MCGS触摸屏进行实时显示。MCGS触摸屏根据预先设定温湿度范围对数据进行判断处理，发出相应的警报，并启动相应的执行机构对温室大棚内的环境进行调控。利用数据传输单元(DTU)，将现场检测到的温湿度数据传送给监控中心，实现了对温室温湿度的远程监控。实地测试表明，温室大棚温湿度智能监控系统的温度检测精度为±0.2℃，湿度检测精度为±3%RH。相对传统的监控系统，智能监控系统具有运行稳定性好、反应迅速、界面操作简单、自动化程度较高、方便扩展和集中式监控等特点。系统检测精度可以满足普通温室大棚的要求，投入成本低，适合在农业应用领域推广。

智能监控系统； STM32单片机； 传感器； 数据传输； 通信协议

0 引言

随着现代科学技术的日新月异，在农业领域，技术向智能化和现代化方向发展已经成为必然趋势。作为农业生产中两个关键的环境参数，温度与湿度逐渐受到人们重视[1-2]。如何快速、准确、方便地对温湿度进行测量和控制，对生产力的提高有着极为重要的意义。智能监控系统能够及时采集并分析温室大棚环境中的温湿度数据，使传统农业朝着精细化、数字化的方向发展[3-4]。将STM32F103RC单片机作为系统控制芯片，DS18B20和SHT10传感器分别作为温度、湿度检测装置，MCGS触摸屏作为显示装置。它们与数据传输单元(datatransmissionunit,DTU)模块共同组成温室大棚环境监控系统，实现对温室大棚内空气温湿度的实时监测[5-8]。

1 系统硬件设计

1.1系统结构及工作原理

温室大棚温湿度智能监控系统的总体结构设计如图1所示。

图1 系统总体结构设计框图

将STM32单片机作为监控系统的控制中心，处理命令数据和有效温湿度数据，对各个传感器节点与执行机构分别进行数据的采集和控制，同时及时反映环境监测点的工作状况以及各个监测点的温湿度。当环境温湿度不在预先设定范围之内时，系统发出警报，并开启相关控制执行机构，对温室内的温湿度进行适当调控。

智能监控系统执行机构包含温度控制机构和湿度控制机构。温度控制机构主要由排气装置和加温装置组成。当温室环境温度过高时，循环风机将热气流从大棚上部排出，以达到降温效果；当环境温度过低时，采用送热风的方式增加温室温度，以加热电热棒的形式增加热量。湿度控制机构主要由通风装置和加湿装置组成。当环境湿度过高时，开启通风装置，降低环境湿度；当湿度过低时，开启加湿装置来提高环境湿度。

GPRS DTU部分与单片机应用RS-232总线相连，利用GPRS网络将检测结果及时上传到服务器和云端设备[9]，以便用户了解温室环境的温湿度情况并及时作出调整[10]。此外，GPRS DTU传输过程完全透明化，传输过程中不改变数据格式[11-12]。

1.2通信电路设计

基于STM32的温室大棚温湿度智能监控系统的数据采集模块与显示模块之间，采用RS-485通信方式进行数据传输。其中，ADM2483差分总线收发器是一款集成式电流隔离器件，适用于多点总线传输线路的双向数据通信。它针对平衡传输线路设计，符合ANSITIA/EIARS-485-A和ISO8482:1987(E)标准。该器件采用ADI公司的iCoupler技术，将三通道隔离器、三态差分线路驱动器和差分输入接收器集成于单封装中。器件逻辑端可以采用5V或者3V电源供电，总线端则采用5V电源供电。RS-485输出端分别包含RS-485(A)端和RS-485(B)端，可用作多点测量串联接线端。

1.3电源模块设计

温室温湿度智能监控系统的电源电路设计如图2所示，分别是3.3V电源电路和5V电源电路。

图2 电源电路设计图

电源模块主要由LM2576D2T-5和LM1117-3.3芯片器件构成。这两个芯片具有带负载能力强、输出阻抗小等特点，能够提供稳定的供电电压。其将开关电源输入的12V直流电压转换为5V电压与3.3V电压。其中，5V电压主要为输出控制模块供电；3.3V电压主要给STM32芯片、JTAG调试接口、实时时钟、数据存储、RS-485等模块供电。

1.4数据采集模块设计

温室温湿度智能监控系统的数据采集模块电路设计如图3所示。

图3 数据采集模块电路设计图

图3(a)是湿度传感器SHT10的测量电路，采用SHT10系列螺纹式防护型温湿度传感器。该传感器集成了传感元件和信号处理元件，两线数字输出分为数据线和时钟线，输出全标定的数字信号，以增加SHT10可用性以及稳定性。湿度测量在0～100%RH范围内，可以达到±2.5%RH的精度。图3(b)是DS18B20温度传感器的测量电路，只需要一条总线即可实现与单片机之间的双向通信;直接串行输出数字信号，最快可在93.75ms内把温度信号转换为数字信号。DS18B20的电压范围更宽，为3.0～5.5V，可实现在-55～+125℃范围内的温度测量，在-10～+85℃范围精度为±0.1℃，满足系统需求[13]。

1.5数据显示模块设计

数据显示模块采用MCGS组态屏幕，实现数据的显示功能，用于读取温湿度数据。MCGS组态显示部分主要包括数据的实时监测功能、历史数据查看功能、数据曲线查看功能、数据报表功能和报警功能。工作人员可以通过实时监测画面，对温室内各个环境监测点的温湿度进行实时监测、查看；可以通过查看历史数据和历史曲线查询画面，方便地观察近期的温湿度变化趋势。

2 系统软件设计

2.1系统软件总体设计

系统初始化之后，单片机对温湿度数据进行采集，并将测得数据发送给MCGS显示部分和DTU模块;DTU模块将测得数据上传至网络终端和云端设备；上位机接收数据后，对数据进行判断处理。如果数据值在设定值的限定范围内，则不进行其他操作，继续监控；如果数据值不在设定值的限定范围内，则启动报警功能提示工作人员，并启动相应的执行机构，对整个环境进行合理调控。

系统软件流程如图4所示。

图4 软件流程图

2.2主、从机软件设计

智能监控系统的主、从机程序流程如图5所示。系统从主机部分开始运行，具体工作流程如图5(a)所示；然后运行从机程序，具体工作流程如图5(b)所示。由于RS-485是半双工通信方式，主机发送命令之后，需要立即将RS-485串口通信由发送数据端改为接收数据端，等待接收从机的响应数据。

图5 程序流程图

3 准确性试验

本文选用玻璃水银温度计作为与测试温度作对比的标准温度计；选用手持式数字湿度计作为标准湿度计。为确保环境测量结果的准确性，温度计和湿度计均被送往天津市计量监督检测科学研究院进行了标准检定和校准，计量检定机构授权证书号为(国)法计(2012)01009号。经检定，温度计在0～100℃范围内的测量精度是0.15℃，湿度计在0～100%RH范围内的测量精度是2%RH，并给出相应的修正值。天津市计量监督检测科学研究院颁发温度计、湿度计检定校准合格证书，编号分别是RGgb1603002和XNJZjw1603670。分别选用检定过的温度计和湿度计，以衡量系统温湿度检测的准确性。

系统搭建完成后，进行实地测试，检验温室内的温湿度。以下随机选取测量数据中连续24h的参数变化，与标准的温度计和湿度计进行比较。其中，整点时刻的环境参数与标准值对比如表1所示。

表1 环境参数值与标准值对比

选取连续24h整点时刻传感器所测温湿度数据，并将其与标准温湿度数据相比较。所得温湿度值对比曲线如图6所示。

图6 温湿度值对比曲线

排除特殊因素影响，将系统测得的数据与标准仪器测得的数据相比较并分析可知：智能监控系统温度测量的平均精度可达±0.2℃，湿度测量的平均精度可达±3%RH。

智能监控系统于天津某农业温室大棚实地测试至今(10个月)未发生异常，在温湿度允许的误差范围内，工作状态良好、测试结果稳定。工作人员反馈，智能监控系统操作简单，能够方便地更改温湿度的上、下限值，及时监测温室大棚内的温湿度因素，并且可以随时查看历史数据，有利于工作人员对不同时期的植物生长条件进行分析。

4 结束语

基于STM32的温室温湿度智能监控系统已经完成设计。该智能监控系统能够对非正常环境温湿度情况发出警报，并及时启动温湿度调控设备对环境温湿度进行调控；以STM32单片机为系统控制核心，功耗低并且投入小，符合现代生产需要。实地测试证明：该系统温度和湿度的偏差较小，可以满足农业工作人员的要求；系统可靠性好、运行稳定。该系统能够更好地服务于日常生产，提高了工作效率，适宜在农业温室大棚领域推广，有利于提高农业生产过程的自动化水平，推进了农业的智能化和信息化的进程。

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[3] 卢超.温室大棚无线温湿度检测装置的设计[J].农机化研究,2011,33(7):136-140.

[4]ZHANGJ,SHIY,YANGJS.Designofsmartcontrolsystemofindoorenvironment[J].ResearchandExplorationinLaboratory,2016,35(7):65-9.

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DesignandRealizationoftheIntelligentTemperatureandHumidityMonitoringSystemforGreenhouse

ZHANG Baofeng1，YANG Lei1，ZHU Junchao1，ZHAO Yan1，LIU Na2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin300384,China;2.Tianjin Binhai Tea Grape Science and Technology Development Co.,Ltd.，Tianjin300450,China)

In view of the lack of stability and accuracy in the traditional temperature and humidity monitoring system for greenhouse,and the problem of wiring complexity in greenhouse environment; under the premise of the existing greenhouse automatic monitoring system,and based on STM32single chip computer,the intelligent temperature and humidity monitoring system of greenhouse is set up.In this system,DS18B20temperature sensor is used to detect air temperature,and SHT10humidity sensor is used to detect air humidity; the results of detected data are sent to the MCGS touch screen through serial communication for real-time display.In according to the preset temperature and humidity range,the MCGS touch screen judges and processes the data,and provides appropriate warning and alarming，and starts corresponding actuators to control environment in the greenhouse.By using the data transmission unit (DTU),the temperature and humidity data detected in the field are transmitted to the monitoring center,and remote monitoring of greenhouse temperature and humidity is realized.Field tests show that the detection accuracy of temperature is ±0.2℃,and the detection accuracy of humidity is ±3%RH.Compared with traditional monitoring system,the intelligent monitoring and control system has many advantages,such as stable operation,fast response,simple operation interface and high level automation.The detection accuracy of system can satisfy the requirements of ordinary greenhouse,and low costs is suitable for agricultural applications.

Intelligent monitoring system; STM32single chip computer; Sensor; Data transfer; Communication protocol

TH70;TP27

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201710020

修改稿收到日期:2017-04-17

天津市科技计划基金资助项目(16ZHLNC00050)

张宝峰(1962—)，男，博士，教授，主要从事计算机科学与技术(图像处理与计算机视觉)、先进检测方法和智能化仪表的研究。E-mailzhangbaofeng@263.net。

杨雷(通信作者)，男，在读硕士研究生，主要从事传感技术与自动化检测系统的研究。E-mail：1374578075@qq.com。