汪思德，陳乙鑫

（西華大學(xué)計算機(jī)與軟件工程學(xué)院，成都 610039）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)覆蓋到生活的各個方面，是當(dāng)前信息時代的主要技術(shù)之一。本創(chuàng)新設(shè)計正是運用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要針對工業(yè)或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的周邊環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，以達(dá)到環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境控制的目的。本設(shè)計主要以ARM 微處理器STM32 為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)據(jù)處理模塊，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合無線傳感技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測，建立智慧化、精準(zhǔn)化的現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。準(zhǔn)確、遠(yuǎn)程、自動、實時監(jiān)測環(huán)境，滿足精準(zhǔn)對環(huán)境監(jiān)測的要求。

1 方案介紹

本系統(tǒng)主要包括三個層次。感知層：即數(shù)據(jù)采集層，利用STM32F103 系列微處理器整合各種傳感器（溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2濃度傳感器）構(gòu)建數(shù)據(jù)采集和處理終端，負(fù)者采集和處理農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)。傳輸層：感知層所采集到的農(nóng)作物生長環(huán)境因素參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)器數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用層：即用戶端，Web 網(wǎng)頁從數(shù)據(jù)獲取環(huán)境的溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度信息，并且以圖表形式實時顯示。同時，可根據(jù)獲取的各類信息進(jìn)行灌溉、升溫降溫等控制[1]。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件功能框圖

如圖1 硬件框圖所示，本系統(tǒng)硬件電路以STM32F103 系列單片機(jī)為核心搭建數(shù)據(jù)采集和處理電路，整合溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，PM2.5 濃度和PM10 濃度，采用Wi-Fi 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2.2 MMCCUU模板設(shè)計

本系統(tǒng)中，CPU 需要對多個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，因此對CPU 的處理性能、存儲容量和資源接口都有較高要求[3]。本次設(shè)計選用STM32F103 系列單片機(jī)。經(jīng)過評估STM32F103RCT6 滿足本設(shè)計對CPU的需求。

MCU 最小系統(tǒng)電路包含了時鐘電路、復(fù)位電路、配置電路、狀態(tài)燈、調(diào)試接口和去耦電容。在圖2 中，C9、C10、X1 構(gòu)成了時鐘電路，X1 為 8M 晶振，經(jīng)過CPU 內(nèi)部的PLL 鎖相環(huán)進(jìn)行倍頻后達(dá)到72M 為CPU提供時鐘信號，C9、C10 為起振電容。R3、C11、K1 構(gòu)成了復(fù)位電路，STM32 系列單片機(jī)為低電平復(fù)位。上電時，單片機(jī)復(fù)位，單片機(jī)正常工作時復(fù)位引腳NRST 被上拉，保持高電平。若需要手動復(fù)位，按下復(fù)位按鍵K1，單片機(jī)復(fù)位引腳NRST 被拉低，單片機(jī)復(fù)位。R4-R7 四個電阻構(gòu)成了啟動模式配置電路，R4、R5 為上拉電阻，R6、R7 為下拉電阻。本電路中，R4、R5 默認(rèn) NC，單片機(jī) BOOT0 和 BOOT1 被下拉，當(dāng) BOOT1=x BOOT0=0 從用戶閃存啟動，這是正常的工作模式。當(dāng)需要改變單片機(jī)啟動模式時，可以通過改變R4-R7 四個電阻的焊接狀態(tài)來改變BOOT0 和BOOT1 的電平狀態(tài)，從而改變單片機(jī)啟動模式。R1、LED1 構(gòu)成了狀態(tài)燈電路連接到單片機(jī)PA0 口，當(dāng)PA0 輸出低時綠色LED 被點亮?？稍谲浖凶孭A0 口以一定頻率改變狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)正常工作，程序正常運行時，LED 會以一定頻率閃爍。通過狀態(tài)燈能方便判斷單片機(jī)是否在正常工作，利于調(diào)試。CN2 是串口調(diào)試接口和JTAG調(diào)試接口。C12—C17 六個電容是MCU 電源去耦電容，PCB 布局時緊靠在MCU 電源引腳，保證MCU 供電穩(wěn)定。

圖1 硬件平臺功能框圖

2.3 傳感器模板設(shè)計

（1）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集農(nóng)作物生長環(huán)境中溫度和濕度信息，本設(shè)計運用DHT11 作為溫濕度傳感器。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。其電路圖如圖3 所示。

圖2 MCU最小系統(tǒng)原理圖

圖3 DHT11模塊電路

（2）光照強(qiáng)度傳感器

光照強(qiáng)度傳感器負(fù)責(zé)采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的光照強(qiáng)度參數(shù)，本設(shè)計運用數(shù)字式光照傳傳感器模塊GY-30 作為光照強(qiáng)度傳感器。GY-30 是一種通用的光照度檢測模塊，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，直接數(shù)字輸出。采用 ROHM 原裝 BH1750FVI 芯片，內(nèi)置 16bit AD 轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計算，省略標(biāo)定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性。其電路圖如圖4 所示。

（3）CO2濃度傳感器

二氧化碳濃度傳感器負(fù)責(zé)采集農(nóng)作物生長環(huán)境中二氧化碳濃度信息，本設(shè)計運用T6603-5 作為溫濕度傳感器。T6603-5 是美國GE 公司研發(fā)的一款基于紅外光學(xué)原理的氣體二氧化碳濃度傳感器，比敏感體化學(xué)材料更具氣體選擇性。其電路圖如圖5 所示。

圖4 GY-30模塊電路

圖5 T6603-5模塊電路

2.4 通信模塊設(shè)計

本系統(tǒng)通信模塊采用ALIENTEK 推出的一款高性價比 UART-WIFI（串口-無線）模塊 ATK-ESP8266，該模塊板載ai-thinker 公司的ESP8266 模塊。

ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與 MCU（或其他串口設(shè)備）通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與Wi-Fi 之間的轉(zhuǎn)換。通過ATK-ESP8266 模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是需要簡單的串口配置，即可通過網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）傳輸自己的數(shù)據(jù)[4]。ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V 和5V 單片機(jī)系統(tǒng)。模塊支持串口轉(zhuǎn)Wi-Fi STA、串口轉(zhuǎn)AP 和Wi-Fi STA+Wi-Fi AP 的模式，從而快速構(gòu)建串口-Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V和5V 單片機(jī)系統(tǒng),可以很方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接。本設(shè)計中為ATK-ESP8266 模塊供電3.3V，模塊串口I/O 電平為：Voh（min）1.44V、Vol（max）0.18V、Vih（min）1.35V、Vil（max）0.45V，可直接與單片機(jī) I/O 相連。電路的模塊接收數(shù)據(jù)TXD 引腳與單片機(jī)USART2_RXD（PA3）相連，模塊發(fā)送數(shù)據(jù) RXD 引腳與單片機(jī)USART2_TXD（PA2）相連，模塊復(fù)位 RST 引腳與單片機(jī)PA1 相連。

3 軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制輸出三大部分，各部分采用多個進(jìn)程協(xié)同完成功能，每個進(jìn)程職責(zé)單一。通過Contiki 嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行各部分任務(wù)進(jìn)程的調(diào)度[5]。系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集主要是指對各個傳感器輸出數(shù)字信號的讀取，并存入FIFO 隊列進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，等待數(shù)據(jù)傳輸流程提取數(shù)據(jù)的過程。其中包括溫濕度傳感器串行數(shù)據(jù)讀取，二氧化碳濃度UART 串口數(shù)據(jù)的讀取，土壤溫濕度和光照強(qiáng)度I2C 串行總線數(shù)字信號的讀取。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸流程主要指的是從FIFO 隊列提取各傳感器數(shù)據(jù)按照J(rèn)SON 格式打包后利用串口通過Wi-Fi傳輸數(shù)據(jù)的過程。詳細(xì)流程：感知層傳感器數(shù)據(jù)字節(jié)流→字節(jié)轉(zhuǎn)FIFO 節(jié)點結(jié)構(gòu)體→放入接收FIFO 緩存隊列→從接收緩存中依次讀取字節(jié)→判斷協(xié)議包頭相等→讀取整個首部→校驗首部→讀取數(shù)據(jù)域→校驗數(shù)據(jù)和→存入?yún)f(xié)議包PackBlock 結(jié)構(gòu)體→存入接收包緩沖隊列→從接收包緩存中取出協(xié)議包→判斷包目標(biāo)地址→刪除應(yīng)答包→發(fā)送回應(yīng)包→處理包。

3.4 輸出控制流程

輸出控制流程是指Web 運用層發(fā)出控制信號到感知層下位機(jī)收到數(shù)據(jù)包后解析數(shù)據(jù)包并做出相應(yīng)控制的過程。詳細(xì)流程：應(yīng)用層產(chǎn)生控制消息→cJSON封裝消息→cJSON 獲取JSON 字符串→生成協(xié)議包PackBlock 結(jié)構(gòu)體→轉(zhuǎn)為待發(fā)送的字符流→字符流添加到未發(fā)送緩沖隊列→從未發(fā)送隊列取出字符流包→指定通道發(fā)送字符流包→獲取字符流包→解析字符流包→做出相應(yīng)控制。

4 結(jié)語

本設(shè)計基本實現(xiàn)了預(yù)期功能，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度參數(shù)。本設(shè)計具有一定的實際應(yīng)用價值，運用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物生長過程所需的環(huán)境參數(shù)，有利于節(jié)約人力，降低成本，提高農(nóng)作物質(zhì)量。同時具有一定擴(kuò)展性，不僅能運用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控，也可適用于其他環(huán)境，例如將傳感器換成PM2.5 傳感器和有害氣體傳感器本系統(tǒng)就可運用于遠(yuǎn)程空氣質(zhì)量檢測。但本設(shè)計還有很多不足之處，最大的不足之處在于控制部分不夠完善，由于對農(nóng)業(yè)大棚中灌溉和升降溫等控制方式并不了解，而且基于成本限制，本設(shè)計的控制部分還只是理論的設(shè)計，并沒有實際運用。同時，本設(shè)計通信是基于2.4G 的Wi-Fi 通信，這要求農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)需要覆蓋Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，且Wi-Fi 傳輸距離有限，并且沒有做多點監(jiān)控的組網(wǎng)，后續(xù)需要做較大改進(jìn)。設(shè)計之初電源部分考慮的是利用太陽能加電池的方案。由于成本和時間限制，最終改為從AC220V 市電供電。后續(xù)改進(jìn)時可優(yōu)化電源設(shè)計。