基于STM32单片机的农田土壤温湿度无线监测系统设计

摘 要：不同的农作物对生长环境的温湿度需求各不相同，温湿度的高低均会对其生长产生较大影响。本文针对此问题开发设计了一种基于STM32F103单片机的农田土壤温湿度无线监测系统，详细阐述了系统硬件电路设计和软件程序设计，通过无线传感器网络技术，可以实时、连续地监测通过温湿度采样模块获取农田土壤温湿度的变化情况。根据采集到的土壤温湿度数据，进行精细化管理灌溉，提高农田的利用效率和产出水平。

关键词：STM32F103单片机；温湿度监测；无线监测；智慧农业

随着我国大批量标准化农田的建成以及农业生产的现代化，农田土壤监测成为农业生产的重要组成部分。农田土壤的温湿度是农业生产中非常重要的参数，农田土壤温湿度对于影响作物的光合作用和蒸腾作用，以及控制土壤微生物活动有着重要的作用，它直接影响着作物的生长发育和产量。目前传统的农田土壤温湿度检测利用定期到田间进行采样和测试的方法来进行农田土壤温湿度检测。

传统的土壤监测方法需要人工采样和实验室测试，耗时耗力且成本较高，本文设计了一种农田土壤温湿度无线监测系统。农田土壤温湿度无线监测系统通过无线传感器网络技术，可以实时、连续地监测通过温湿度采样模块获取农田土壤温湿度的变化情况。通过远程监测系统随时获取土壤温湿度数据，并根据数据进行精细化管理灌溉，提高农田的利用效率和产出水平。

1 系统总体方案设计

STM32F103单片机为系统总体设计的主控芯片，再通过外部电路实现其他各部分功能，主要包括温湿度采集模块、DHT11温湿度传感器模块、OLED显示模块、ESP8266 WiFi模块、报警模块、水泵灌溉模块、按键模块、电源模块，系统结构如图1所示。

该系统的工作流程如下：首先，用户通过按键设定一个标准值。其次，传感器会采集土壤的温度和湿度数据，以及环境的温度数据。这些数据经过模数转换器转换成数字电平信号，然后被送入单片机进行处理，最终单片机输出相应的温度和湿度数值，OLED显示屏显示数值，ESP8266模块进行无线数据通信，STM32F103单片机根据处理结果将控制信号输出至三极管驱动模块，三极管驱动水泵实施灌溉，直至土壤湿度保持在给定区间。

2 系统硬件组成及设计原理

2.1 STM32F103模块简介

农田土壤温湿度无线监测系统设计选择使用STM32F103C8T6最小系统板。以STM32F103C8T6芯片为核心，64K×8bit的Flash，20K×8bit的SRAM，温度传感器通道ADC_Channel_16和内部参考电压通道ADC_Channel_17，4个16bit定时器/计数器，分别为TIM1、TIM2、TIM3、TIM4，2个看门狗定时器（独立看门狗IWDG、窗口看门狗WWDG），2个IIC，2个SPI，3个USART，1个CAN，内部8MHz时钟HSI最高可倍频到64MHz，外部8MHz时钟HSE最高可倍频到72MHz。STM32F103C8T6单片机主要处理土壤温湿度传感器模块传入的数字电平信号，通过LCD显示屏显示数据，并且输出控制电平至三极管进行继电器连接水泵的控制。最终通过串口通信与ESP8266模块进行数据传输。其低电压、高性能微处理和快速可擦除字节特点被广为应用。它非常简单、方便，易于使用，体积小。在医疗机构和工业生产中广泛应用于实时控制、停车场、计算机外围设备和通信设备等各个领域。STM32F103C8T6芯片管脚图如图2所示。

2.2 报警模块简介

该报警电路使用蜂鸣器来报警，因为蜂鸣器在用法上类似于家用电器中的喇叭。蜂鸣器通常工作电流比较大，

电路中的TTL电平基本驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大电路才行。一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音，因此在电路中用上了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。

蜂鸣器的正极性的一端连接到5V电源上面，另一端接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P1.5管脚通过一个与非门来控制，当P1.5管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.5管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。这里与非门是作为非门来用的，采用一个非门的作用是为了防止系统上电时蜂鸣器发出声音，系统复位以后，I/O口输出高电平。

该模块示意图如图3“蜂鸣器报警电路”所示。这样的设计可以用于报警系统的声音提示，通过单片机的控制来实现蜂鸣器的开关。

2.3 OLED显示模块简介

OLED（Organic Light Emitting Diode）也叫有机发光二极管。该显示模块被认为是未来平面显示器领域具有巨大潜力的新型应用技术。由于OLED具有自发光特性，因此无须另外的背光源。其优势包括高对比度、超薄、广阔视角、快速响应时间、可实现柔性曲面板应用、广阔的工作温度范围以及简化的结构和制程。因此，OLED在显示效果上通常优于其他技术。在这里，该系统使用了0.96英寸OLED显示屏，提供黄蓝、白、蓝三种颜色选项，分辨率为128×64。提供多种连接方式，包括3线或4线串行SPI接口，以及2线控制的IIC接口。该OLED显示模块支持IIC及SPI通信方式，在此该系统屏幕功能菜单复杂对于数据的传输速率要求较高，所以选择七针SPI通信方式OLED模块。OLED显示模块电路如图3“OLED显示模块电路”所示。

2.4 湿度模块简介

传感器（Transducer）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

在医学、工程、汽车、工业、环境、科学研究和日常生活等领域都有广泛的应用。常见的传感器包括温度传感器、压力传感器、水位传感器、传感器信号线等。

湿度采集可以通过湿度传感器实现，将湿度传感器视为可调电阻器。当湿度传感器感知到温湿度时，其电阻值会发生变化，湿度最小时的电阻值为10K。随着湿度变化，电路输出电压也随之改变。通过调节电阻值大小，可以得到所需的电压输出，以满足电路的需要。本次设计所采用的是土壤湿度传感器YL69，如图3“土壤湿度传感器电路”模块所示。

2.5 温度模块简介

DS18B20是一种数字温度传感器，由美国公司Dallas Semiconductor制造。它采用了一线数字接口（OneWire Interface），可以直接通过一个数据线来传输数据和供电。DS18B20具有高精度、高分辨率和广泛的工作温度范围，使得它在各种应用中被广泛使用。

DS18B20的主要特点包括：（1）温度测量范围：-55℃到+125℃。（2）分辨率可调：9位、10位、11位或12位。（3）采用直接数字输出，无须校准。（4）提供了唯一的64位ROM编程地址，可以在系统中轻松识别多个传感器。（5）供电电压范围：3.0V到5.5V。（6）内置温度报警功能。

DS18B20广泛应用于温度监控、环境控制、家用电器、医疗设备等领域。它的性能稳定可靠，体积小巧，安装使用方便。与模拟温度传感器相比，它省去了与微处理器接口连接时所需的A/D转换和复杂的外围电路，从而简化了系统结构，增加了系统稳定性，并且缩小了体积。

2.6 DHT11模块简介

DHT11是一种数字温湿度传感器模块，其硬件工作原理如下：当DHT11模块接收到读取指令后，它会主动开始工作。首先，DHT11通过内部的温湿度传感器感知环境的温度和湿度，并将其转化为电信号。然后，模块通过单总线数字信号将这些数据传输给外部的控制器或微处理器。在数据传输过程中，DHT11模块使用一种特殊的协议，包括起始信号、数据位和校验位。控制器或微处理器接收到数据后，可以对其进行解析和处理，从而实现对环境温湿度的监测和控制。DHT11模块连接电路如图3“DHT11模块”所示。

2.7 水泵驱动电路简介

本模块采用1k电阻R4对电平进行限制，当单片机给继电器高电平，8050三极管导通，此时VCC和GND导通，10k电阻在该电路中为上拉电阻（Pullup resistors），8550此时正常工作，从而通过程序来控制水泵开启和关闭。水泵驱动电路如图3“水泵驱动电路”所示。

2.8 ESP8266模块简介

ESP8266是一款低成本WiFi模块，由中国的芯片制造商乐鑫信息科技（Espressif Systems）开发。它集成了一个完整的WiFi网络功能，能够轻松地将各种设备连到WiFi网络，实现无线通信。ESP8266可以独立运行，也可以作为从设备与主MCU（微控制单元）配合使用，广泛应用于物联网（IoT）设备、智能家居、无线通信等领域。

ESP8266集成了一颗32位的Tensilica L106 RISC处理器，内置了TCP/IP协议栈，并支持STA（Station）和AP（Access Point）两种工作模式。它可以通过串口或SPI接口与其他设备进行通信，可广泛应用于物联网、智能家居、工业控制等领域。ESP8266的主要特点包括：支持802.11b/g/n无线标准，可以连接到现有的WiFi网络。内置TCP/IP协议栈，支持多种网络协议，如HTTP、FTP、MQTT等。提供GPIO引脚，可方便与外部传感器、执行器等设备进行连接。可通过AT指令或编程方式进行控制和配置。它具有低功耗特性，适合于电池供电的应用场景。ESP8266电路如图3“水泵驱动电路”所示。

3 系统软件设计

系统的软件程序部分如下，首先开始进行程序OLED模块初始化、ESP8266模块初始化、DHT11模块初始化、土壤温湿度模块初始化，然后进行清屏函数，清空OLED屏幕显示对当前土壤温湿度以及环境温湿度信息进行显示，随后进行按键检测，输出上下限，进行上下限判断，打开继电器对水泵进行开关控制。ESP8266上传数据，进行远程监测控制。整个主流程图如图4所示。

结语

本系统是基于STM32F103单片机的农田土壤温湿度无线监测系统，通过Proteus仿真软件仿真了农业智能灌溉系统。通过本系统的控制和调试，实现了农田土壤温湿度和环境温度数据的无线监测、采集及控制。该系统体积小、功耗低、操作简单、扩展能力强，在现代农业温湿度控制及灌溉系统中具有较强的实用价值。

参考文献：

［1］曹鹏飞，肖志飞，文建博，等.基于STM32的节水灌溉系统设计［J］.电子设计工程，2022，30（06）：1619.

［2］朱新强，吴溢达，韩颖晴，等.基于STM32单片机的煤矿环境监测及预警系统设计［J］.科学技术创新，2023（21）：8487.

［3］付文新，王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现［J］.光源与照明，2022（03）：119121.

［4］康晋.基于LoRa无线通信的工业机器人远程监控系统设计［J］.计算机测量与控制，2022，30（09）：119124+132.

［5］康晋.基于STC89C52单片机的农业智能灌溉系统设计［J］.农村经济与科技，2020，31（12）：197198.

基金项目：杨凌职业技术学院2021年科技创新项目（ZK2156），项目名称：农田土壤温湿度无线监测系统研究

作者简介：康晋（1989— ），男，汉族，陕西杨凌人，硕士研究生，副教授，主要研究方向：数据通信技术。