基于STM32的果园环境监测及灌溉系统设计＊

唐 靖，宋志强

(1.南京信息工程大学滨江学院自动化学院，江苏 无锡 214105；2.无锡学院自动化学院)

0 引言

随着时代的发展，科技的进步，生活中各个领域自动化程度越来越高。特别是在农业领域，自动化程度的提高更有利于解放劳动者双手，提高生产率。例如通过终端管理更多资源，精确的农业系统可以有效保证农作物的生长质量。

本设计是基于STM32的果园信息远程监测系统，该系统使用STM32 系列芯片并通过DHT11 温湿度传感器、BH1750 光照传感器、YL-69 土壤湿度传感器对果园环境的温度、光照强度和土壤湿度信息进行采集与处理，系统将数据上传到阿里云物联网平台，用户可通过电脑终端远程实时查看果园信息。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体设计

采用STM32 系列单片机，通过传感器采集数据，并通过ESP8266WIFI 模块将数据上发至阿里云物联网平台，用户可从电脑终端或移动端查看实时数据，图1为系统总体设计框图。

图1 系统总体设计

1.2 监控数据采集模块

此模块是系统的各个传感器模块，其功能是用来检测环境数据，并上发至处理器，本系统的监控数据采集模块有温湿度采集模块，其采用的是DHT11温湿度传感器；测量光照强度的传感器采用的是BH1750光照度传感器；土壤湿度传感器则采用的YL-69 土壤湿度传感器。

⑴温湿度采集模块

为实现环境的温湿度采集，本次设计选用的是DHT11 温湿度传感器。同时，这个温湿度传感器具有体积小、功耗低、价格低等特点，适用于本次设计。从数据手册中可以看出，这种传感器可以在20～60℃的环境下进行测量，以及在5%～95% RH 范围内进行测量。传感器的三个引脚功能定义分别为：

1脚：VCC，电源控制口；

2脚：DATA，数据引脚，与单片机IO 口连接，将所测得数据发送至单片机；

3脚：GND，接地。

根据数据发送时序图完成DHT11 的驱动代码编写，首先主机要给数据引脚输出一个至少18ms的低电平然后拉高等待20-40μs，等待DHT11 回应这时GPIO 就要改变为输入状态，DHT11 响应拉低80μs 再拉高80μs，这个过程结束后就开始发送数据。

⑵光照强度采集模块

作物的生长自然也离不开光照，若想要稳定控制作物所需的光源，自然离不开实时的环境光照检测，为用户提供一个实时的环境光照状态，从而通过人工或终端控制作物所处环境的光照强度。本系统所选用的光照传感器为BH1750 光照传感器，BH1750 是一种光强度传感器，能够对环境的光强度进行量化，从而转化为环境中的光强度lx。传感器自身通过IIC总线进行通信，通过读取寄存器从而提取到传感器的实时数据。同时，因为传感器具有较为广泛的输入光范围，且小巧轻便、经济实惠，所以用作本系统的环境光照强度的检测模块。BH1750有五个引脚，其各自功能为：

1脚：VCC，电源接口；

2脚：GND，接地；

3脚：SCL，IIC时钟线，时钟输入引脚，由单片机输出时钟信号；

4脚：SDA，IIC 数据线，双向IO 口，传输数据的接口；

5脚：ADDR，IIC 地址线，接GND 时器件地址为0100011，接VCC时器件地址为1011100。

⑶土壤湿度采集模块

本设计所使用的土壤湿度传感器为YL-69 型土壤湿度传感器，该模块有较大的测量范围，基本能满足设计需求。土壤湿度传感器工作电压为3.3V～5V。该电路使用LM393作为比较器件，工作性能良好。通过从单片机从AO 口获取模拟量[1]，获得更准确的仿真数据，将数据提供给用户进行后续操作。土壤湿度传感器的接线示意图如图2所示。

图2 土壤湿度传感器接线说明

1.3 灌溉模块

选用小型水泵，其通过程序输出高低电平实现对继电器模块的控制，从而控制水泵的开关。继电器模块与单片机相连有三处接口，分别是VCC、GND、IN，其中的VCC 与单片机电压输出口相接，GND 接地，IN引脚接单片机的串口，通过对IN 引脚输出高低电平，从而控制继电器的开关。继电器另一端口也有三处接口，分别是NO（常开触点）、NC（常闭触点）、COM（公共端），因为这个继电器模块采用的是低电平触发，所以当IN 引脚输入为低电平时，继电器常开触点与COM端相连，从而接通，水泵有电而工作。

1.4 无线通信模块

ESP8266 是具有超低功率的UART-WIFI 透传模块，包装规格较小且能耗较低，可用作移动设施和物联网应用设计。同时因为它的联网功能，即可将使用者的设备连接至局域网，从而完成网络通信，达到互联。ESP8266WIFI 模块采用串口与单片机通信，其内置有TCP/IP 协议栈，通过WIFI 与上位机通信。同时，ESP8266WIFI 有三种工作模式[2]，分别为：STA、AP、STA+AP。

2 基于阿里云物联网平台的系统设计

阿里云物联网平台支持用户设备接入，还能对用户设备进行管理，同时还提供创作者搭建便利的可视化平台[3-4]。当用户进入开发者中心后，进行产品添加，设置产品名称、所属品类、节点类型、连网方式以及数据格式。ESP8266作为发布者，通过MQTT协议，将单片机测得的各种数据上传至服务器，然后在移动终端获取数据[5-6]。利用阿里Iot-Studio 提供给用户的应用编辑器，可将环境温度、环境湿度、土壤湿度、光照强度等数据显示在Web 应用界面上。同时设有一个独立开关，可以向设置好的数据流发送对应的开关值数据，从而控制水泵的开关，若用户需要，是可以进行自动控制的，通过下发AT 指令，程序内部设置数据阈值，当环境检测到的数据超出阈值时，则控制外部设备的启动，从而达到自动控制。阿里云物联网云平台配置整体流程如图3所示。

图3 阿里云物联网平台配置流程图

按照上述流程建好产品、添加云端设备和应用后，用户创建的设备与设计中的设备对应，也是设备接入网络的一种形式，阿里云物联网平台为每个设备终端提供了一块云空间，用户可以在上面建立其所需要的数据流，编辑可视化应用等功能，同时还能建立用户的人机互动画面，从而达到远程监控的目的，Web应用界面如图4所示。

图4 Web应用界面

3 系统软件设计

基于STM32CubeMX 进行，同时通过MQTT 协议以及ESP8266WIFI 模块，将所测得的数据上传至云端.。软件模块包括ESP8266WIFI 模块、LCD 模块的SPI 驱动、BH1750 光照传感器驱动、DHT11 温湿度传感器模块驱动、YL-69土壤湿度传感器模块等。

3.1 ESP8266模块驱动

配置WIFI 为STA+TCP 客户端模式，ESP8266 是通过AT 指令来实现程序的运行，比如说“AT”为测试指令“AT+RST”为复位指令，二者返回都为OK；“AT+CWMODE=1”意思是设置工作模式为客户端模式；“AT+CIPMODE=1”意思则是开启设备的透明传输模式，便是ESP8266通过接收到的串口数据，进行转发值所设置的服务器端口上；“AT+CWSAP=“SSID”,“PWD””为设置热点模式下的ESP8266 的热点名称和密码；“AT+CIPMUX=0”设置设备为单连接模式；“AT+CIPSTART="TCP","%s",%d ",ip,port”意思是建立TCP连接，从而让局域网内设备实现通信。

3.2 DHT11模块驱动

DHT11 驱动则是根据时序图完成DHT11 的驱动代码编写，首先主机要给数据引脚输出一个至少18ms的低电平然后拉高等待20-40μs，等待DHT11 回应这时GPIO 就要改变为输入状态，DHT11 响应拉低80μs再拉高80μs，这个过程结束后就开始发送数据。

3.3 YL-69模块驱动

YL-69 的工作原理则是通过硬件上连接的是YL-69土壤湿度传感器的AO 引脚，AO 是传感器的模拟量输出，因此需要对采集到的模拟量进行转化，而PC2 是芯片的ADC（模数转换器）引脚，用于处理模拟数据。通过测量可知，设备置于在空气中时，湿度为0%，所获取到ADC 的值在3935 左右，而置于水中时，湿度为100%，所得到的ADC 值在2903 左右。因此，根据这个进行代码部分的编写，通过配置STM32CubeMX生成ADC 初始化代码，用户通过读取传感器ADC 的值从而获取到实时的土壤湿度值，从而进行转化得到表示土壤的湿润度值。

4 结束语

本文利用现有的阿里云物联网平台，设计并实现了一个基于STM32 和阿里云物联网平台的果园环境监测及灌溉系统。阿里云物联网平台作为管理系统与设备之间信息交换的桥梁，为系统用户提供设备数据信息的监控信息服务。用户可以通过移动终端，实现远程控制，通过程序内对各种阈值的设定，从而保证系统的正常运行。