基于手机App的植物生长环境实时监控系统设计*

李德英，邱扬帆，易 涛，肖奕扬

(1.湖南信息学院电子科学与工程学院，湖南 长沙 410151；2.中国石油化工股份有限公司华北油气分公司采油一厂，陕西 咸阳 712000；3.上海东尚信息科技股份有限公司，上海 201612)

植物生长是一个漫长的过程，温湿度对植物生长起着关键作用[1].目前，农业生产中存在有线监测便携性差、布线复杂、维护困难和使用成本高等缺点[2]，导致植物生长周期长、产量低等问题.因此，设计一款基于手机App的植物生长环境温湿度实时监控装置，可以有效提高植物的产量与品质.笔者拟用STM32F103C8T6单片机作为控制芯片，用传感器采集植物生长环境温湿度，再通过物联网技术将智能手机作为终端检测设备，以完成用户与前端采集端、中端微机数据库的交互，从而实现用户在多方协同下的植物生长环境实时监控.

1 系统总体设计

植物温湿度实时监控系统主要由STM32主控模块、电源模块、温湿度采集模块、通讯模块和报警模块等组成.温湿度采集模块采集环境的温湿度[3]，采集的数据经单片机处理后与设定的温湿度值进行比较.在自动控制模式下，若采集到的数据与设定值不一致，则单片机启动控制模块来调节温湿度.设备运行过程中如果发生故障，报警模块就会立即报警.系统整体结构如图1所示.

图1 系统整体结构

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体设计

选择STM32F103C8T6作为主控芯片[4]，DHT11作为空气温湿度传感器，YL69作为土壤湿度传感器，ESP8266-12F作为串口Wi-Fi芯片，显示使用OLED12864屏幕，报警使用蜂鸣器.系统整体硬件结构如图2所示.

图2 系统整体硬件结构

2.2 主程序控制模块设计

主控芯片是ARM家族中Cortex-M3内核STM32系列的32位微控制器，其型号为STM32F103C8T6，程序存储器容量是128 kB，正常工作电压为2～3.6 V，正常运行温度为-40～85 ℃，主控芯片引脚接线如图3所示.

图3 主控芯片引脚接线

2.3 空气温湿度采集模块电路设计

空气温湿度采集模块采用DHT11传感器，它是一款出厂含有已校准数字信号、输出空气温度和湿度的复合型传感器.其数字模块采集技术及温湿度传感技术，可确保硬件具有极高的可靠性.DHT11引脚接线如图4所示.

图4 DHT11引脚接线 图5 YL69引脚接线

2.4 土壤湿度采集模块电路设计

YL69是一款土壤湿度传感器，由2片不锈钢制的探针构成，可以长期埋设于土壤中.土壤湿度采集时，通过单片机的AD采集接口从传感器的AO引脚获取模拟量，湿度越大时获取的模拟量越大.YL69引脚接线如图5所示.

2.5 显示模块电路设计

显示模块采用0.96寸的OLED屏幕，分辨率为128*64，驱动接口选择SPI接口.OLED引脚说明见表1，引脚接线如图6所示.

表1 OLED引脚说明

图6 OLED引脚接线截图

2.6 Wi-Fi模块电路设计

串口Wi-Fi芯片采用ESP8266-12F，供电电压为3.3 V.ESP8266-12F进入下载模式时需要下拉，否则无法烧写机智云平台通讯固件.串口TXD及RXD分别对应PIN22和PIN23，交叉接入单片机的TXD及RXD.Wi-Fi信号为2.4G，在满足了系统带宽的同时又加强了硬件信号穿透性能.ESP8266-12F引脚接线如图7所示.

图7 ESP8266-12F引脚接线

2.7 报警模块电路设计

报警模块通过有源蜂鸣器实现，有源蜂鸣器是感性元件.为了防止蜂鸣器正负极两端产生尖峰电压，模块中加入一个续流三极管.蜂鸣器引脚接线如图8所示.

图8 蜂鸣器引脚接线

3 系统软件设计

3.1 软件总体设计

软件总体设计如图9所示.

图9 软件总体设计

初始化端口完成后，设备判断是否需要配网，需要则执行配网程序，否则进入传感器采集(DHT11和YL69传感器采集)；传感器获取并显示采集的数据，再将数据上报及下发；最后判断自动控制模式是否开启，是则进行温湿度自动调节，否则结束程序.

3.2 空气温湿度传感器程序设计

DHT11是一款单总线协议通讯的传感器，因节约了单片机片上GPIO口[4]，故布线难度降低.图10示出了DHT11的单总线时序协议，时序分为开始、等待、响应、接受、效验、结束和释放等7个部分.DHT11以单总线的高低电平时间区分真假信号，最高精确要求的时序为几十微秒.

图10 DHT11驱动时序协议

3.3 按键配网程序设计

按键配网程序分两部分，即按键扫描和配网指令下发执行(图11).按键扫描部分置于主函数循环体外，节省了系统资源.执行配网程序需在器件启动前按下配网按键，配网成功后Wi-Fi热点配置将存入ESP8266-12F内部非易失性的FLASH芯片.配网指令调用机智云gizwitsSetMode函数接口，Wi-Fi芯片设备执行初始化，接收附近Wi-Fi数据包.经手机端App设置Wi-Fi的SSID和密钥，驱动路由器或具有路由功能的器件发送UDP数据广播包.Wi-Fi芯片由接收的UDP包获取配置信息，进而连接Wi-Fi，实现器件入网.

图11 按键配网流程

3.4 参数显示程序设计

OLED屏幕有2种通信方式，即IIC和SPI，两者使用的通信协议稍有不同[5].本研究采用模拟SPI协议显示驱动屏幕，显示流程如图12所示.

图12 参数显示流程

3.5 温湿度自动调节程序设计

自动控制的对象主要为升/降温、加/减湿、水泵开启/关闭等，其控制规则为变量对比法.自动控制流程如图13所示.

图13 自动控制流程

4 系统仿真测试

4.1 上电测试

如图14所示，器件上电运行正常，指示灯指示正常，OLED屏幕显示正常，说明上电测试通过.

图14 模拟实物上电测试

4.2 OLED屏幕显示测试

如图15所示，OLED屏幕正常实时显示空气温湿度、土壤湿度及水泵状态，说明显示测试通过.

图15 OLED显示测试

4.3 系统云平台与本地数据交互测试

器件上电之前按住配网按键，器件进入配网模式，再操作机智云手机App，手机连接Wi-Fi SSID并设定管理员密码，等待配网完成.如图16所示，器件连接配置的Wi-Fi热点后，手机App上显示的环境参数与OLED显示的参数一致，说明系统云平台与本地数据交互测试通过.

图16 云平台与本地数据交互测试

4.4 自动控制模式功能测试

如图17所示，自动控制模式开启后，系统能根据用户设定的环境温湿度开启或者关闭相应的控制端口，间接控制调节器件，如升温器、水泵、加湿器等，说明自动控制模式功能测试通过.

图17 自动控制测试

5 结语

以STM32F103C8T6单片机作为微处理器，利用温湿度传感器采集空气温湿度和土壤湿度，再通过物联网技术将智能手机作为终端检测设备，设计了一款基于手机App的植物生长环境温湿度实时监控系统.系统能够实时采集植物生长过程中的空气温湿度和土壤湿度，用户通过手机App就能对植物生长环境进行实时监控.仿真测试结果表明，系统实时性强、智能性高，具有实际应用价值.