基于STM32的多参数环境监测仪的设计与实现

关键词：多参数；环境监测；传感器；无线通信；监控后台

0 引言

随着现代农业技术的发展，为了科学合理安排农业生产活动并提高生产效率，环境监测的需求应运而生[1-3]。现代物联网技术的发展为环境参数的监测带来了新的方向，并提供了便携、高效的解决方案。本文将物联网技术应用到环境监测领域，设计了一种基于STM32的多参数环境监测仪。该监测仪成本低廉、系统工作稳定，能够实现对温度、湿度、光强、气压、CO2浓度、风速和风向等多个环境参数的监测。检测结果可以通过现场显示，也可以传输至监控后台。同时，还可以设置参数异常报警，通过现场声光报警和远程推送的方式及时对异常信息进行预警。

1 系统方案设计

多参数环境监测仪选用STM32L431RC系列低功耗单片机作为控制核心，电源供应选择的是3.8V锂电池。根据系统实际使用场景，同时选用了太阳能电池板以提高系统整体续航时间。通信模组方面选择的是MC20E模块，功耗低、工作稳定。传感器方面目前主要有温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强传感器、风速风向传感器和气压传感器。同时，系统集成了显示模块和预警模块，能够实时显示环境信息并对异常情况进行声光报警。系统还设计了存储模块，可以对环境信息进行本地存储，保证了环境数据的完整性。如图1所示为多参数环境监测仪系统框图。

1.1 主控模块设计

多参数环境监测仪系统的主控模块为Cortex-M4内核的STM32L431RCT6。该单片机是一款32 位超低功耗微控制器，主频高达80MHz，内部集成了浮点运算单元和内存保护单元，功能强大、安全稳定。同时，它具有丰富的外部接口，能够很好地满足传感器模块、通信模块以及显示、预警和存储模块的连接需求。作为多参数环境监测仪系统的控制核心，主控模块的功能主要包括：

1） 读取传感器模块的信息并对其进行初步处理，以得出对应的环境参数。

2） 将得到的环境参数进行显示和本地存储，并通过通信模组发送至后台。

3） 检测环境参数的异常情况，并进行本地预警以及向后台推送异常信息。

1.2 传感器模块

1.2.1 温湿度传感器

温度和湿度是影响植物生长的两个重要环境因素，对植物的生长发育有着直接和间接的影响[4]。因此，精准的温湿度监测是环境检测仪的基本要求。

本设计选择了DH11温湿度模块进行温度和湿度的测量。该模块与主控模块通过单总线进行连接，输出信号为数字信号。该模块具有程序设计简便、测量精度高、测量范围大、功耗较小等特点，很好地满足了系统的需求。

1.2.2 CO2浓度传感器

二氧化碳（CO2） 是植物进行光合作用的重要原料之一，其浓度对植物生长和发育有着至关重要的影响。因此，CO2浓度的监测对农业生产具有重要的参考意义和实用价值[5]。

本设计选择的CO2浓度传感器是MH-Z14A二氧化碳传感器。该传感器利用非色散红外原理实现空气中CO2浓度的测量，数据输出通过串口接口。传感器的具体参数如表1所示。

1.2.3 光强传感器

光强是影响植物生长的重要环境因素，与植物的生长速度、产量和品质密切相关。强光可以促进光合作用，进而加速植物生长，而低光强则可能导致光合作用效率降低，从而影响植物的正常生长[6]。

本设计选用了BH1750光照传感器进行光强测量。该传感器通过I2C接口与主控模块连接，光强数据以16位二进制数的形式直观展示，数据读取方便，无须主控模块进行额外处理。传感器的参数如表2所示。

1.2.4 风速风向传感器

在不同的风速和风向条件下，植物会展现出不同的适应生长特性，这些特性是植物长期进化过程中对环境条件适应的结果。在农业生产中，需要考虑风速和风向因素，并采取相应的措施来保护植物免受风害，以提高农作物的生长效率[7]。

本设计选择了以低惯性风标及精密电位器为核心的风速风向传感器，实现了对风速和风向的高灵敏度检测。传感器数据接口为ADI接口，通过主控模块的A/D转换模块采集风速风向数据，经过处理后生成可以进行显示的风速和风向信息。

1.2.5 气压传感器

气压对植物生长也有不容忽视的影响，例如水分的吸收与蒸腾、植物分布等，是影响植物生理和生态分布的重要环境因子之一。了解气压的变化可以有效指导灌溉、施肥和病虫害防治等农事活动[8]。

本设计选择了数字压力传感器BMP180来测量环境气压。该传感器提供数字信号接口，可直接将气压结果反馈至主控模块，且输出精度高、体积小，适合应用于小型嵌入式设备中。

1.3 电源模块

本设计选择的供电电池是3.7V锂电池，同时为了提高系统的续航能力，配备了太阳能电池板来为电池充电。系统中部分传感器、通信模组等需要的供电电压为5V，而主控模块的供电电压为3.3V，因此需要分别设计锂电池充电管理电路、5V稳压电路和3.3V稳压电路。具体电路图如图2所示。

1.4 通信模组设计

通信模组的功能是在主控模块的控制下，将系统采集到的环境数据发送至后台，由后台进行界面展示、数据保存等。

本设计选择的通信模组为MC20E，是一款四频段GSM/GPRS无线通信模块。该模块功耗低至1.2mA，通过USART串口与主控模块通信，程序开发简便，支持数据透传模式，传输速度快、稳定性高，是物联网领域一款通用性很强的移动通信芯片[9]。

1.5 其他模块

为了增强系统的兼容性和可靠性，多参数环境监测仪同时设计了存储模块、显示模块和预警模块。存储模块用于在通信模组无法正常通信时保存采集到的环境参数，防止数据丢失；显示模块用于环境参数的现场显示，在太阳能电池板可供电的情况下工作，出于功耗原因考虑；预警模块可以对环境数据异常进行声光报警。

1.6 软件设计

多参数环境监测仪软件设计主要包括：系统初始化、环境数据采集和与监控后台通信三个部分，软件流程图如图3所示。

系统开机上电后，首先进行初始化。这包括与传感器模块的通信、设置传感器输出数据格式和读取数据频率等操作；同时与通信模组建立连接，进行通信模组初始化。初始化完成后，通过通信模组与监控后台建立连接，进行握手和对时等操作。监控后台可以在此环节下发新的环境预警参数，并由系统完成设置。环境数据采集完成后，系统先判断是否需要进行现场预警，然后将数据发送至监控后台。在发送环节，如果发送失败，系统会先将信息保存在自身的存储模块中，在通信恢复正常后再将环境数据发送至监控后台。

经测试，系统可以实现对温度、湿度、光强、气压、CO2浓度、风速和风向等多个环境参数的实时检测和数据上传。检测精度满足农业生产的要求，很好地满足了农业生产对环境参数监控的需求。

2 结论

针对农业生产对环境参数监测的需求，本文提出了一种基于STM32的多参数环境监测仪的设计方案。该设计实现了对农业生产环境中多种参数的实时在线监测，且工作寿命长、工作状态稳定。结合监控后台，既可以通过大型农场的监控大屏进行信息的实时展示，也可以通过手机端App或小程序供个体承包户使用。