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基于STM32和Android手机的农业物联网大棚的设计与实现

网络的应用,提出并设计了一种通过对大棚内农作物生长的环境信息进行实时监测和调控的系统,在控制设备的干预下,为农作物的生长创造最适宜其生长的环境的设计。

在目前的技术浪潮推动下,传统农业的生产形式已经发生了巨大的变化。本文农业物联网大棚的设计是以嵌入式系统为基础,能够对温室大棚内空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度进行实时监测,并在各项环境指标达到预先设定的阈值时,对环境因素进行实时的反馈调节,通过控制其他设备对温室大棚内的环境做出相应调控。例如当检测到土壤湿度不足时,系统就打开灌溉系统进行灌溉;当检测到光照不足时,系统控制电灯打开照明控制系统对大棚内光照强度进行调控;当检测到CO2含量过高时,则打开通风系统对大棚内空气进行通风调节等监控功能。

大棚中主要通过STM32F103系列单片机对其中的温湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器的数据进行采集,经过换算得到相应的环境数据后,通过STM32F103的串口将数据传输给WiFi模块。Android手机通过串口转WiFi模块对传感器采集来的数据进行接收。并将其在Android手机APP上显示出来。与此同时,通过Android手机端,事先能够对环境温湿度,土壤湿度的阈值进行设定,如果当前环境达不到所设定要求时,风扇、电灯和水泵等控制设备会自动打开,对大棚内的空气温度及空气质量、光照强度、土壤湿度等环境信息进行干预,以便达到预先设定的环境阈值。

硬件部分包括STM32单片机与各传感器模块的硬件电路设计;软件设计包括STM32单片机的程序开发,以及Android智能手机上的APP的开发。设计的总体框图如图1所示。

物联网大棚的环境节点设计采用性价比较高的STM32F103系列单片机做为微控制器,环境监测传感器和控制设备通过GPIO口、I2C引脚等接口与STM32单片机相连;同时,STM32单片机通过串行口和WiFi模块相连,并通过TCP/IP协议与智能手机进行数据交换,从而实现对大棚内传感器信息的采集和对大棚内各设备状态的控制。

DHT22湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该产品具有超低能耗、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。

该设计中采用的是较为常用的BH1750FVI光照强度检测模块。其工作温度范围也较广,为-45℃至+85℃,能够满足一般工业生产的条件。同时也具有较高的灵敏的和精确度。

此模块采用I²C协议与单片机之间进行数据交互。其可以检测到的光照强度范围为1~65535Lux。

土壤湿度传感器又名土壤水分传感器,土壤含水量传感器。土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水探头构成,可长期埋设于土壤和堤坝内使用,对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。与数据采集器配合使用,可作为水分定点监测或移动测量的工具测量土壤容积含水量,主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。

以上三种传感器是本设计中将要用到的传感器,他们主要采集周围环境中实时变化的温湿度、光照强和土壤的湿度等农作物生长的环境信息。

为了解决硬件与软件的通信以及摄像头采集数据的传输,设计中选用了ESP8266 WiFi模块。该模块是一款串口转WiFi模块,他能够将单片机的串口通信协议转换成TCP/IP协议,为单片机接入网络提供了可能。又因为其成本低、使用简便、组网方便、易于实现远程数据交互,因此在物联网应用设计中,被广泛采纳使用。

在本设计中STM32F103用作核心控制器,用来对DHT22、BH1750FVI和土壤湿度传感器的信息采集与处理,并控制WiFi模块收发工作有序的进行。在设计中起到至关重要的作用。农业物联网大棚简易模型如图2所示。

Android客户端应用程序作为本农业物联网大棚系统所使用的手机客户端。Android终端程序初步设计总共有1个主页面和3个子界面。3个子界面包括环境信息控制界面、光照强度控制界面和监控摄像头选择界面。现对此APP的子界面及其部分代码进行简要介绍。

打开应用程序即可进入到主页面,如图3所示。在主界面上设置有3个触摸按键,当点击这三个不同的触摸按钮时,会触发不同的监听事件,从而调用相关函数,转入对应的子页面当中去。

当在主页面点击“环境信息”按钮时,程序即可跳转到环境信息子页面去。该页面布局和功能如图4所示。

简易室内温度及空气质量监测系统设计

:室内温湿度及颗粒物浓度是人们日常生活中密切关注的空气指标,系统通过DHT11采集室内的温湿度信号,再通过GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器进行室内空气质量的数值检测,如果PM2.5值超出上限将报警。

室内环境的温度、湿度和可吸入肺颗粒物浓度是人们日常生活中十分关心的室内空气质量的指标。现今健康成为越来越多的人关注的话题,但是由于我们周边生活环境的日益恶劣,尤其是雾霾天气的加重,PM2.5值不断提高,有效监测手段非常必要。

本文所设计的简易的空气质量监测系统可以实时地监控房间内的温湿度,对可吸入肺颗粒物的浓度检测值,在被测定之后,如果超过其最高限定值则会报警以提示。

整个设计需要完成温度传感器电路的制作和传感器布局,核心控制器的选型及电路设计,设计可行的温度控制算法(可以基于PID或者模糊逻辑),设计多点温度数据的采集及转换、温度实时显示电路、空气质量监测及悬浮物测量的基本方案,并进行硬件选型和空气质量基准标定等。

为了满足上述设计要求,选择STC89C52RC型单片机,使用多个DHT11温湿度传感器来实现多个地点采样温湿度的工作,辅以GP2Y1010型可吸入肺颗粒物传感器,用来检测环境中可吸入肺的颗粒物的浓度,最终通过LCD1602液晶显示屏进行温湿度和可吸入肺颗粒物浓度的检测值的显示,不同控制模式下使用不同方式设定标准温湿度值,通过PID控制温度控制算法来实现温度的控制,并且对可吸入肺颗粒物的浓度也设定一个上限值,如果超过上限值就进行报警。

方案一:DHT11温湿度传感器。DHT11温湿度传感器有5V左右的工作电压,可以检测的温度范围为0℃-50℃,并且可以在该温度的范围内进行湿度的测量。这种传感器采用数字信号输出。

方案二:DS18B20温度传感器。DS18B20也有5V工作电压。分辨率调整范围为9至12位。其温度测量范围从-55℃至+125℃,同样也是数字信号输出,但不能同时进行温度和湿度两种所需指标的检测。

由于传感器需要在多点测量温湿度的实际情况当中进行应用,而DS18B20只能实现对一种指标进行测量,且多点测量的情况下,还需要单纯的测量湿度的检测器件,这样会增加成本和诸多设计上需要考虑的问题,因此结合应用需要选择DHT11更为方便。

要进行室内空气质量的检测,通过对比和筛选初步选择了M205型空气质量模块和GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器模块两种,下面具体对两种模块进行详细的比较。

方案一:M205型空气质量模块。该模块的优点在于其内部具有现在技术非常成熟的片式厚膜半导体气敏元件,对空气中的各类的易燃类气体比如氢气、一氧化碳、酒精等气体比较敏感。但该类模块存在一定的危险性,不适合室内温、湿度监测。

方案二:GP2Y1010可吸入肺颗粒物浓度检测传感器模块。这是运用光学原理来检测的可吸入肺颗粒物检测传感器,该类传感器模块的工作原理是由于空气中的光线强度受尘埃颗粒的影响比较明显,通过加载一个光学传感器模块对光线的强度做出感应,从而得出浓度检测的数值。尤其是可以有效地检测到像香烟烟雾般非常细的颗粒。该传感器的工作方式为通过检测空气中粒子半径为0.5微米的颗粒数量,具有相当高的稳定性和灵敏性。

对于本方案,是在室内中央空调环境下的温湿度及空气质量监测,通过上述的比较, GP2Y1010的测量精度和各方面特点更加符合设计的要求。

前面的论证将系统方案和各个模块的选用方面都进行了具体的分析,于是,在以上各个模块元器件选定基础之上,可初步画得本设计系统结构如图1所示。

其中DHT11温湿度检测模块和GP2Y1010型可吸入肺颗粒物浓度检测模块采集完信号后,均传入STC89C52RC进行信号的处理,接着测量的温湿度数值和温度设定值以及可吸入肺颗粒物浓度即PM2.5的数值通过LCD1602显示出来。

DHT11共有4个引脚,其中将四个引脚编号为1号、2号、3号和4号。1号名称是VCC,是电源引脚,正电源输入且可输入3V至5.5V的直流电压,本设计具体应用的是+5V直流电源;2号引脚名称是Dout,是输出引脚,在输出类型上是单总线号引脚名称是NC,是空脚,扩展未用;4号引脚名称是GND,是接电源地的引脚。