基于STM32的大棚种植环境参数物联网监控系统*

张吉圭

（贵州城市职业学院，贵州 贵阳 550025）

随着社会和经济的发展，智能化、信息化需求的增加，近年来物联网系统在农业上的应用不断发展。解决方案越来越多，集成度较高，终端节点功耗高，结构复杂，接口不统一，网络平台开发难度大，成本高，不易于维护，效率低，标准不统一，数据不能共享等缺点。针对上述的问题，设计一种以STM32F103R6微控制器为核心，结合温湿度传感器对农作物进行温度和湿度的监测，恒温机和空气循环机来调节温湿度，通过ESP8266接入OneNET开放云平台，WEB端或终端设备能够远程监测和控制大棚的温湿度。

1 系统总体构架

基于OneNET的大棚温湿度环境参数远程监控系统主要包括：STM32F103R6主控制器、恒温机和空气循环机、DHT11温湿度传感器、BH1750光照传感器、TP-Link路由器、ESP8266无线WiFi模块、中国移动OneNET云平台，WEB终端设备，系统构架如图1所示。

图1 远程监控系统总体构架图

STM32F103R6通过DHT11采集大棚的温湿度，BH1750采集光照强度，ESP8266通过TP-Link接入互联网和OneNET云平台，在WEB终端能够显示大棚的温湿度、光照强度及控制参数，当环境参数达到控制阈值，能够通过设备终端或WEB端进行命令下发，控制恒温机和空气循环机的工作来调节温湿度。温室内温度正常时，恒温机与空气循环器不工作。室内温度异常，室外温度正常时，空气循环器工作。室内温度异常，室外温度异常时，恒温机工作。光照传感器通过监测光照的强度来实现大棚遮光和光照的需求，达到对湿度的控制，进而实现大棚环境参数的远程控制。

2 系统硬件设计

接入设备由STM32F103R6单片机、光照传感器、温湿度传感器和ESP8266模块、空气循环机、恒温机组成。ESP8266模块通过串口与STM32F103R6处理器连接，恒温机和空气循环机通过继电器连接到STM32F103R6处理器，温湿度传感器通过单总线与STM32F103R6处理器连接，光照传感器由IIC总线与处理器进行连接，设备连接框图如图2所示。

图2 设备连接框图

2.1 STM32最小系统硬件实现

STM32F103R6最小系统主要包括：复位电路、电源电路、晶振电路、调试电路。

电源电路：系统工作的电源主要包括5V的外围驱动电源和3.3V的主控芯片STM32的工作电源，恒温机和空气循环机使用220V的交流电源。如图3所示。

图3 5V-3.3V电源电路

复位及晶振电路：STM32F103R6主芯片低电平复位。设计的电路中复位引脚正常情况为高电平，当按键按下时为低电平，系统复位。系统时钟的频率为72M，是由外部8M晶振经PLL锁相环升频提供，系统其他外围时钟频率经系统时钟分频。系统复位及晶振电路如图4、图5所示。

图4 系统复位电路

图5 系统晶振电路

2.2 ESP8266无线WiFi电路

为使得数据的互联，能远程查看和操作温控系统，设计以ESP8266无线WiFi器件为核心的数据传输模块，连接中国移动的OneNET物联网平台，数据通过控制器串行口与ESP8266实现温度数据的传输及上传，WEB终端通信显示。工作电路如图6所示。

图6 ESP8266 WiFi通信电路

2.3 恒温机及空气循环机电路实现

大棚环境参数远程控制系统的两个执行器恒温机和空气循环机，采用220V的交流电源工作，通过继电器和STM32F103R6处理器进行连接。硬件连接如图7、图8所示。

图7 空气循环机继电器驱动电路

图8 恒温机继电器驱动电路

2.4 温湿度传感器及光照传感器电路

温湿度的采集采用DHT11单总线温湿度传感器，通过一条总线与处理器进行数据通信连接，具有极高的可靠性与稳定性，成本低、相对湿度和温度测量、抗干扰能力强、超快响应、数字信号输出、精确校准、超长的信号传输距离等特点。BH1750光照传感器，一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化，可用于环境光照参数的采集。硬件原理图如图9、图10所示。

图9 光照传感器电路

图10 温湿度传感器电路

3 系统软件设计

随着通信技术的发展，单片机的功能也越来越强大，编译软件代表性的有Keil、IAR、CodeWarrior等。代码语言有汇编语言、C语言、JAVA语言等。C语言具有良好的逻辑性及功能性，本次设计选择STM32F103R6作为主控制器，编程语言选用C语言，编译软件选用软件Keil。

3.1 系统软件设计结构框图

整体的系统软件设计是由系统里有着不同功能的模块整合在一起，实现系统的功能。系统中包括环境参数的采集、恒温机和空气循环机的驱动、WiFi模块通信程序、开关控制。系统软件设计结构图如图11所示。

图11 软件框架图

3.2 温湿度采集程序

STM32处理器向DHT11发送温湿度采集指令，传感器在收到命令后执行采集的工作，测量完成后通过单总线的方式发送给处理器，完成采集的工作。其时序图如图12所示。

图12 DHT11时序图

3.3 光照采集程序

光照传感器BH1750采集大棚光照强度，通过IIC协议与处理器进行通信，把光照的数据传送给STM32进行分析，通过ESP8266无线WiFi模块连接OneNET云平台，在设备终端显示光照参数，能够实时掌握智慧大棚的光照条件，为大棚的湿度控制提供数据。

3.4 智能恒温控制逻辑

智慧恒温系统用于作物种植环境的温度调节，根据节能环保的原则，该系统分别测量室内外温度，并使用大功率温室恒温机和低功耗空气循环器两种方式实现自动恒温管理，当室内温度超过客户指定的正常阈值时，系统需根据温室外温度自行决定启动恒温设备，由此实现智能低功耗控制系统。智慧温室内部与外部的温度、湿度数据，以及温度调节设备是否启动，需在云端实时显示。其控制逻辑如图13所示。

图13 智慧恒温系统逻辑图

4 结果测试分析

数据基于OneNET云平台的应用管理网页提供的数据可视化，能够提供WEB端来监控智慧大棚的环境参数，还可以实现远程的控制功能，即可通过电脑或者移动终端访问中国移动OneNET云平台，查看温湿度数据的变化及温湿度的控制。在系统上电后，把软件下载到STM32F103R6的存储器中，复位后程序开始运行，登录OneNET云平台对数据的可视化进行编辑，能够在界面上显示环境参数数据，并能够把控制命令下发到平台，使恒温机和低功耗空气循环机执行相应的控制命令，从而实现大棚环境参数物联网监控系统。

5 结束语

本文设计以STM32处理器为核心的终端硬件电路，分析了传输协议完成了软件的编写。测试结果表明，大棚环境参数物联网监控系统具有成本低、功耗小、监测精度高、开发周期短等优点，该系统能够实现对大棚温湿度进行远程监测的功能。在该系统上增加传感器便可以对更多的大棚环境进行监测，同时也可以利用该平台下发的命令对大棚的设备进行控制，实现对大棚的远程监控。