郭磊

摘要 目前應(yīng)用中的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅僅實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，未實(shí)現(xiàn)根據(jù)導(dǎo)入的參數(shù)模型對(duì)環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控，本文應(yīng)用STM32作為總控制器處理器，STC單片機(jī)作為采集部分的處理器，每個(gè)溫室里裝有一個(gè)ZigBee設(shè)備，運(yùn)用NB-IoT技術(shù)的無(wú)線模塊，將園區(qū)狀態(tài)傳到手持終端。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);傳感器技術(shù);ZigBee通信;NB-IoT 窄帶通信

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)科技取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，可具備環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能是科技大棚的必備條件，其中溫濕度、光強(qiáng)和CO2含量，可以改變種植物的狀態(tài)。但是，應(yīng)用過(guò)程中還存在一些缺陷。鑒于此，論文中運(yùn)用STM32作為核心控制芯片，配合NB-IoT窄帶無(wú)線模塊，將采集的參數(shù)值利用窄帶無(wú)線模塊遠(yuǎn)程傳送給移動(dòng)終端，進(jìn)行進(jìn)一步的顯示和處理。

1. 系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)的溫室監(jiān)控設(shè)備可以做到對(duì)園區(qū)內(nèi)多個(gè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光強(qiáng)、CO2含量的全天候采集，園區(qū)內(nèi)為局域網(wǎng)。設(shè)計(jì)以STM32微控制芯片為平臺(tái)，對(duì)溫濕度、光照和CO2濃度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集。

2.系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)部分硬件設(shè)計(jì)

每個(gè)溫室需要放置一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)所在溫室的環(huán)境因子參數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的濾波處理，將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊傳送給通信控制器。該部分內(nèi)容包括確定了單片機(jī)的型號(hào)，選定了基于CC2530的無(wú)線模塊，對(duì)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)傳感器做了比較與選型。

2.1.1 單片機(jī)選型與設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)部分外圍電路包括四種傳感器和無(wú)線模塊，占用資源較少，因此選用了51系列單片機(jī)作為主控制器。

2.1.2 ZigBee模塊選型與設(shè)計(jì)

CC2530是由德州儀器（TI）公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，可用在2.4GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用。內(nèi)部包含有高質(zhì)量的RF收發(fā)器和工業(yè)級(jí)51內(nèi)核，因此也稱作無(wú)線單片機(jī)，

2.1.3 傳感器選型與設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)已進(jìn)行濾波和校準(zhǔn)，可以同時(shí)測(cè)量并輸出溫度和濕度參數(shù)。采用BH1750FVI作為光照強(qiáng)度采集傳感器，I2C數(shù)據(jù)通信總線數(shù)字量輸出，十六位精度（1～65535 lx的高分辨率），不區(qū)分光源，檢測(cè)范圍大。MG811作為二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器。

2.2通信控制器硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 處理器選型與設(shè)計(jì)

STM32處理器按功能分為幾個(gè)系列，即基本型、增強(qiáng)型、USB基本型、互補(bǔ)型系列。其中增強(qiáng)型和基本型的時(shí)鐘頻率分別為72MHz和36MHz，增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率最高。

2.2.2 NB-IoT選型與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的NB-IoT模塊為上海穩(wěn)恒電子生產(chǎn)的WH-NB75，兼容我國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT網(wǎng)絡(luò)連接。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無(wú)線通信協(xié)議模塊軟件設(shè)計(jì)

所有通信采用如下通信格式如表3.1所示。

其中，68H是幀頭，校驗(yàn)碼的值等于通信格式內(nèi)前七個(gè)字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和的低8位。

3.2 采集節(jié)點(diǎn)模塊軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 溫濕度采集部分程序設(shè)計(jì)

DHT11的通訊方式與溫度傳感器DS18B20類似，即單總線方式，只需要占用單片機(jī)的一個(gè)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3.2.2 光照強(qiáng)度采集部分程序設(shè)計(jì)

BH1750與單片機(jī)通過(guò)I2C總線進(jìn)行通訊連接，數(shù)據(jù)輸出過(guò)程為：首先通電發(fā)送指令0x01，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。光照強(qiáng)度的計(jì)算公式為（返回值*分辨率）/（1.2*靈敏度）。

3.2.3 MG811二氧化碳濃度采集部分程序設(shè)計(jì)

MG811傳感器常用于探測(cè)家庭、溫室環(huán)境內(nèi)CO2的濃度，MG811的靈敏度特性曲線說(shuō)明了MG811敏感元件在幾種常見(jiàn)氣體，各種濃度時(shí)的輸出電壓值。

3.4 農(nóng)作物生長(zhǎng)模型建立

西紅柿的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)溫度要求比較嚴(yán)格，不宜過(guò)高和過(guò)低，為喜溫種植物類。如果西紅柿的生長(zhǎng)環(huán)境出現(xiàn)光線比較暗、溫度比較高、土壤太濕等情況會(huì)造成幼苗徒長(zhǎng)。

4.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 無(wú)線數(shù)據(jù)通信測(cè)試

首先對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行通道、模式和PIN ID設(shè)置，配置1個(gè)協(xié)調(diào)器（Coordinator）和3個(gè)終端（Router）Zigbee模塊。焊接完成的采集節(jié)點(diǎn)和通信控制器電路板如圖4.1所示。在有人透?jìng)髟贫伍_(kāi)發(fā)SDK Demo的基礎(chǔ)上修改程序，開(kāi)發(fā)符合溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議的終端APP。登錄成功后的檢測(cè)界面如圖4.2所示。

5. 總結(jié)

本篇論文針對(duì)溫室農(nóng)作物種植過(guò)程中遇到的實(shí)際困難提出了解決方案，主要研究成果如下：制定了系統(tǒng)中各模塊間以及對(duì)外的通信協(xié)議，在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的情況。對(duì)采集節(jié)點(diǎn)模塊和通信控制器模塊的硬件、程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境因子的遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)采集、顯示，當(dāng)某個(gè)參數(shù)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)可以利用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)提醒種植戶。

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齊魯工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 濟(jì)南 250353