蘇鵬鑒?馬海琴

摘 要：隨著人們生活水平不斷的提高，對(duì)蔬菜的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。人們都希望能吃上綠色的有機(jī)蔬菜，但由于有機(jī)蔬菜種植過(guò)程要求禁止使用農(nóng)藥、化肥、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)，有機(jī)蔬菜生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)比較慢，因此，本論文主要介紹有機(jī)蔬菜種植過(guò)程中環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量蔬菜種植的環(huán)境參數(shù)主要有土壤PH值、光照強(qiáng)度、土壤水分、環(huán)境溫度等。

關(guān)鍵字：種植環(huán)境;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);土壤PH值

1.前言

本文設(shè)計(jì)一款易于使用、性?xún)r(jià)比高、實(shí)時(shí)性好的蔬菜環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)種植環(huán)境的相關(guān)參數(shù)如：土壤PH值、光照強(qiáng)度、空氣溫度、土壤水分等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了解決模種植有機(jī)蔬菜生長(zhǎng)慢的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)對(duì)有機(jī)蔬菜種植環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如下圖1所示，下面對(duì)設(shè)計(jì)使用的各個(gè)部分做簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2. 電源模塊

電源是電子設(shè)備不可缺少的重要組成部分。本系統(tǒng)的電源需要輸出一個(gè)3.3V電壓。3.3V電源主要為主控電路和各傳感器供電，功率要求20W，紋波50mV。設(shè)計(jì)使用變壓器的功率為20W，輸入的電壓值為市電220V，周期為20ms（頻率為50HZ），經(jīng)過(guò)降壓與全橋整流濾波后直流電壓為6.2V。6.2V電壓輸入到穩(wěn)壓芯片LM2596的1腳，由2腳輸出3.3V直流電壓。

3.微處理器模塊

主控芯片采用基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位的微控制器STM32F103C8T6，其RAM容量是20KB，程序存儲(chǔ)器FLASH容量是64KB，符合設(shè)計(jì)所需容量要求。其工作溫度為-40℃～85℃，合適在戶(hù)外環(huán)境工作。系統(tǒng)時(shí)鐘最高可到72MHz，能滿足數(shù)據(jù)快速處理的要求。自帶10通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可進(jìn)行高精度多通道的AD采集。

4. 顯示模塊

顯示模塊采用分辨率為128 *64的OLED，供電電壓3.3V，該OLED有多種接口方式，包括6800和8080 兩種并行接口方式，3線或4線的串行SPI接口方式，2根線控制IIC 接口方式，接口方式選擇由屏上的BSO～BS2來(lái)配置選擇。在本設(shè)計(jì)中采用IIC接口方式，能節(jié)約IO引腳。128 *64OLED屏本質(zhì)是有128×64個(gè)小燈泡組成，為了方便使用，可以將其分成16*8個(gè)小方格，每個(gè)小方格由8×8的小燈泡組成，想要一個(gè)8×8的字符剛好可以在這一個(gè)小方格內(nèi)顯示，表達(dá)一個(gè)8×8的字符則需要8個(gè)字節(jié)。通常，可用LCD取模軟件得到字符的字模。

5. 傳感器模塊

5.1 GY-39傳感器模塊

GY-39是一款集光照強(qiáng)度、溫濕度及大氣壓強(qiáng)的傳感器模塊，工作電壓在3-5V，工作電流5mA，功耗小，工作溫度在-40°～85°。GY-39模塊采用BMF280高精度低能耗的數(shù)字氣壓傳感器芯片和MAX44009光強(qiáng)度傳感芯片。BMF280通過(guò)IIC接口實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)，該芯片可測(cè)量空氣中的壓力、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，模塊自帶MCU，MCU負(fù)責(zé)收集傳感器數(shù)據(jù)，統(tǒng)一處理后直接輸出計(jì)算結(jié)果，STM32單片機(jī)可以直接讀出MCU輸出的數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)與模塊MCU的通信方式有2種，串口UART或IIC。串口UART通信方式時(shí)，波特率有9600bps與115200bps兩種，每一幀通常有8-13個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，每一幀數(shù)據(jù)格式為：幀頭標(biāo)志+數(shù)據(jù)類(lèi)型（監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)）+數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+數(shù)據(jù)+檢驗(yàn)和。其中，幀頭表示為2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)0X5A，數(shù)據(jù)類(lèi)型有0X15表示光照強(qiáng)度，0X45表示溫度、氣壓、濕度、海拔。設(shè)數(shù)據(jù)Byte1- Byte10為光照強(qiáng)度計(jì)算公式（lux）：Lux=（Byte1<<24）|（Byte2<<16）|（Byte3<<8）| Byte4。溫度計(jì)算公式（℃）：T=（（Byte1<<8）| Byte2）/100。氣壓計(jì)算公式（pa）：P=（（Byte3<<24）|（Byte4<<16）|（Byte5<<8）| Byte6）/100。濕度計(jì)算公式（%）：Hum=（（Byte7<<8）| Byte8）/100。海拔計(jì)算公式（m）：H=（（Byte9<<8）| Byte10）。檢驗(yàn)方式采用將數(shù)據(jù)累加，取結(jié)果的低八位數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。在IIC通信模式下，要求通信時(shí)鐘低于40KHZ，幀數(shù)據(jù)讀取間隔應(yīng)小于10HZ，否則存在數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)。

5.2 土壤濕度傳感器

監(jiān)測(cè)土壤濕度采用常用市面上常見(jiàn)的電容式土壤濕度傳感器，該傳感器采用ECH20系列傳感器，傳感器上的薄膜聚合物因?yàn)橹車(chē)鷿穸雀淖儯鹁酆衔锿饽は鄬?duì)介電常數(shù)ε與電容量變化。測(cè)量原理公式：=

式中：0 =8.854× 為真空介電常數(shù)（F/m）;為板間遮蓋面積（m2）;為板間電容量（F）;為板件厚度（m）;為含高濕敏性基材板件聚合物外膜介電常數(shù)（F/m）。

5.3 PH值傳感器

PH傳感器模塊采用PH4502C，該模塊設(shè)計(jì)有BNC復(fù)合電極接頭，必須要模塊與PH復(fù)合電極進(jìn)行連接方可進(jìn)行使用。模塊工作會(huì)使模塊溫度發(fā)生變化，需在軟件中進(jìn)行溫補(bǔ)的功能。PH傳感器模塊輸出的是模擬電壓信號(hào)，使用STM32F103C8T6自帶的AD采集，來(lái)實(shí)現(xiàn)該部分所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

市面上的PH復(fù)合電極品種類(lèi)型各不一致，而且由于電極存在合體差異，在使用前還要進(jìn)行電極PH值得校準(zhǔn)工作，在得到很好的校準(zhǔn)曲線后才能與PH值模塊通過(guò)BNC接口進(jìn)行連接使用。

6. 藍(lán)牙模塊

設(shè)計(jì)使用HC-05 4.0藍(lán)牙模塊，該模塊低待機(jī)功耗，10m遠(yuǎn)距離連接，采用CC2541芯片，配置256Kb空間，遵循V4.0BLE藍(lán)牙規(guī)范。模塊支持AT指令，用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)串口波特率、設(shè)備名稱(chēng)、配對(duì)密碼等參數(shù)進(jìn)行更改并支持UART串口通信。

7.結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)可在許多場(chǎng)合中應(yīng)用，為種植蔬菜提供可靠的、準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

作者簡(jiǎn)介：蘇鵬鑒 （出生于出生日期：1986.08）男 漢 廣西岑溪 本科? 職稱(chēng)：工程師 研究方向：電子測(cè)量、嵌入式開(kāi)發(fā) 工作單位：桂林電子科技大學(xué)

基金項(xiàng)目：課題來(lái)源：廣西壯族自治區(qū)教育廳;課題名稱(chēng)：立體有機(jī)蔬菜種植環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究;課題編號(hào)：2020KY05030