基于传感网的智能温室远程控制系统的设计

张兆鹤

（西北民族大学电气工程学院，甘肃兰州，730106）

在农业生产领域，温室大棚是非常重要的基础设施，在信息化技术的强势推动下，温室智能化控制已成为一种时代潮流。通过文献资料及研究成果梳理与总结发现，以荷兰、日本等为代表的发达国家在很早就掌握了先进且成熟的温室工程技术，不仅农业技术处于国际领先水平，而且综合环境管理水平也普遍较高，所以农作物产量一直稳定增长。

纵观我国，大部分温室仍采用传统操控方式，不仅未形成标准且完善的制度体系，而且生产效率也比较低下。即便市场上推出了一些智能温控系统，受限于高昂价格未实现进一步推广与应用，导致当前的控制水平和配套设施无法切实满足生产需求。对此，我国先后多次引入西方先进技术，但由于国情及环境差异，不仅未取得理想效果，还产生了巨大经济投入。所以，利用现有技术自主研发一套控制精准、运行可靠的智能温室系统就显得极其重要。

为从源头上解决上述问题，笔者决定在本课题研究中开发出一套以STM32为核心的温室智能控制系统，以温湿度、光照和二氧化碳作为密切监管的环境参数，倘若当前的环境参数不利于植物生长，就通过系统调整打造出适宜植物生长的积极环境。由于每种植物的生长环境不同，所以需根据植物生长习性设置预期的环境参数值，即通过上位机对环境变化情况进行实时监控，通过阈值设置实现参数自动调整，从而达到远程监控的目的。由此一来，既能够提高工作效率，减少人力资源投入，还能确保农作物健康、快速生长。

1 系统总体设计

拟定开发的这套系统由两部分构成，一是上位机，二是下位机。就前者来说，它是利用C语言编写的程序软件，以用来建立接口，由此便可通过RS232总线与计算机保持实时交互。它主要负责数据采集、参数设置、开关控制等；而后者是利用STM32芯片开发的控制平台，通过连接外设来实现参数设置、数据显示、开关控制等相关功能。在此平台下，可实现真正意义上的智能化、实时性控制。

2 硬件设计

本系统将当前颇受程序人员青睐与认可的STM32单片机作为主控器。实际上，它集成了多重优势为一身，不仅数据处理功能强大，而且还提供了大量接口资源，可轻松实现功能拓展、维护升级。仔细观察下（图1）可进一步发现，本系统按照下述流程进行操作：

图1 总体设计流程图

（1）各大传感器实时收集环境参数，并将获取的监测数据传送至STM32进行处理。

（2）通过触摸屏对植物生长环境参数进行实时调控。当温室现场参数与设置参数不一致时，处理器就会下达命令要求执行器投入工作，比如温度、CO2浓度、湿度等都可以通过特定开关元件进行调控，在遇到突发情况时，也可基于手动模式通过触摸屏进行控制。

（3）STM32处理器将处理的环境参数反馈至PC端，主机软件就会将这些数据以界面方式来呈现，并绘制出相应的变化曲线图。它通过历史数据分析，触发上位机进行温室参数设置，并将该信息反馈到处理器，以驱动执行器投入运行，从而实现远程控制。

（4）除新增的功能强化型外设接口外，STM32互连系列还提供与其它STM32微控制器相同的标准接口，这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性，使开发人员可以在多个设计中重复使用同一个软件。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s 模数转换器、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。

（5）新系列微控制器还沿续了低电压和节能两大优点。2.0V～3.6V的工作电压范围兼容主流的电池技术，如锂电池和镍氢电池，封装还设有一个电池工作模式专用引脚Vbat。以72MHz频率从闪存执行代码，低功耗模式共有四种，可将电流消耗降至两微安。从低功耗模式快速启动也同样节省电能；启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。

■2.1 传感器模块

由于笔者开发的这套系统以温湿度、光照、二氧化碳为监控对象，所以专门部署了与各项参数的相对应传感器，以实现环境参数的高可靠、高精准采集，相关传感器见（表1）。

表 1 传感器性能参数

■2.2 DHT11温湿度模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。其原理图见（图2）。

图2 温湿度DHT11

■2.3 晶振电路

晶振电路（图3）是用来给单片机提供时钟信号的。晶振有两种其中包含有源晶振与无源晶振，是时钟电路中最重要的部件之一，晶振的作用是向IC等部件提供相应的基准频率。XTAL1是单片机作为时钟电路反向放大器的输入端，XTAL2是单片机作为时钟电路反向放大器的输出端，这个反向放大器是能够用作片内振荡器的配置而使用的，在这其中石晶振荡器和陶瓷振荡器都是可以使用的。当我们在实际的应用中使用外部时钟源驱动器件时，此时的XTAL2是需要不接的。而对于输入到时钟电路内部连接的时钟信号，是需要一个二分频触发器来实现的，在实际的应用中，对外部连接时钟信号的脉宽是不需要做什么要求的，但首先是要求脉冲的高低电平与电路所要求得电平是一样的。

图3 晶振电路原理图

■2.4 电源电路

系统的电源电路（图4）由电源组成，为整个电路提供电源，使整个系统能够正常工作。供电电源为直流5V2A。

图4 电源电路原理图

■2.5 驱动模块

MCU是一种低压输出，而环境调节设备只有在大电流下才能被驱动运行。因此，该驱动模块被设计为MCU与环境调节机构之间的中间链接，以驱动环境调节设备，根据温室环境变化做出相应调整。为避免各传感器间彼此干扰、互相影响，结合下表2专门构建了四路驱动模块（图5）。

表2 执行机构参数

图5 驱动电路图

3 软件设计

系统的软件设计分为两部分，一是计算机部件，二是上位机模块。就前者来说，它以单片机为主控器，以完成信号采集、参数设置等相关操作；而后者主要用来与下位机保持实时通讯与数据显示。

■3.1 下位机软件设计

仔细观察下图6和图7可进一步发现，在投入运行之前，要先设置各参数的上下限值，这是保证系统稳态运行的先决条件。该系统支持两种控制模式，一是主动控制，二是手动控制。在手动模式下，可控制通风/扰动风扇、加湿器等相关设备的运行状态。在自动模式下，完成参数预设后，只要发现环境发生了变化，就立即驱动执行器投入工作，传感器将捕捉到的数据传送到触摸屏显示。出于人性化方面的考虑，将触摸屏作为交互接口，以实现控制的灵活性与高效化。此处主要设计了4个友好窗口: 参数设置、开关控制、环境参数数据和历史图表显示。其中历史图标主要记录1d内温室参数的变化状况并将其存储在SD卡以供以后查询分析。

图6 主程序流程图

图7 数据处理流程图

■3.2 上位主机交互界面设计

采用经典可靠的C语言设计了一个实时监控接口，由此实现了可视化操作与C++高效集成优势的深层次融合，相较于Net语言，C语言优势极其突出，具体表现为代码效率高、代码紧凑、容易理解、实现简单等。而且适用范围广泛，使用者稍加学习就可以轻松的修改和扩展代码。

该界面主要展示了五个功能区，一是串行端口选择区域，二是参数控制区，三是开关控制区，四是参数显示区，五是记录数据显示区。基于自动模式下设置参数实现环境参数的灵活、实时控制。基于手动模式下，可自行选择串行端口号，也可采取默认配置，即波特率9600，无奇偶校验位，8个数据位，1个停止位。参数设置完成后，只需点击“确定”就能执行控制操作。五个功能区协同合作显示，很好的将各种数据显现出来，让使用者可以更加直观清晰的看到测出的数据，大大的提升了实验效率，加快实验速度，上位机界面如图8所示。

图8 上位机软件界面

4 实验验证

搭建实验平台对现场环境进行仿真分析。在手动模式下，利用触摸屏设置参数以保证执行器被正常触发，并及时反馈数据变化，它能检验各机制能否可靠运行，而在自动模式下可直接投入运行。只要正常运行就能通过主机上完成参数设置、数据显示等操作。

将5s作为数据采集反馈的周期点。初始参数值为:温度30℃，、湿度30% ，、光照100 lx，CO浓度380μL·L－1。以黄瓜的生长环境为目标量: 温度24℃，湿度45% ，光照185lx，CO浓度450μL·L－1。基于自动模式下生成环境因子变化图，通过图9可进一步发现，环境因子的稳定，误差在可控范围内。

图9 环境因子变化折线图

5 结论

本系统的功能优势极其显著，具体表现为构造简单、性价比高、交互性强等。不仅能密切关注环境变化，根据场景变化做出及时调整，还能完整储存、直观展示历史数据，并以图表方式来全面反映数据变化，由此能协助人们发现数据变化规律，探索出行之有效的改良方案。经反复多次测试证实了本系统的可行性与有效性。智能温室系统是顺应时代发展的必然产物，不仅提高了生产效率、减少了成本投入、减轻了工作压力，还创造了经济和社会双重效益。