基于STM32单片机的新农业智能控制系统设计

关键词：温湿度传感器；光照传感器；云平台；智能控制：远程监控：Lora

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）32-0110-05

农业是我国的传统产业，也是国家支柱产业之一。相关研究表明：我国农业劳动力成本日趋增高，农业劳动力老龄化与短缺问题逐渐凸显，农业智能化的需求日益增加。而农作物的产量与温度、湿度、光照强度、CO₂浓度息息相关。为能够根据农作物不同生长周期所需的环境进行智能调整，满足其合适的生长环境，提高农作物产量和农业管理的效率，笔者设计了新农业智能控制系统。

1 硬件设计

本控制系统由单片机模块、空气温度监测模块、土壤湿度监测模块、光照强度监测模块、CO₂ 监测模块、通信模块、驱动模块和显示与控制模块共8个模块组成，其系统框图如图1所示。

1.1 单片机模块

单片机选用STM32F103，STM32F103微控制器具有高性能、丰富的外设和接口、灵活的存储容量选择、低功耗特性以及安全功能等特点。功能较为完善，可以满足此次设计需要。

1.2 空气温度监测模块

DS18B20 是一种“单总线”接口的温度传感器。DS18B20通过测量温度对其内部器件电阻值，从而实现温度的检测。DS18B20内置有一个温度感应器和一个处理模块，当温度发生变化时，感应器的电阻值也会发生变化，这个变化被传递给处理模块，经过一系列运算之后最终以数字信号的形式输出。整个过程由芯片内部自动完成，当系统需要获取传感器的数据时，需要从信号引脚DQ输入特定的指令，传感器会对指令进行解析，并向DQ引脚输出相应的温度数值。

1.3 土壤湿度监测模块

采用YL-69土壤湿度传感器，其原理为湿敏电容，当环境的湿度发生改变时，会使得湿敏电容存在环境中的介质发生改变，导致湿敏电容中的电容数值产生变化，电容的数值正比于湿度值。由于湿敏电容有着很高的灵敏度、响应速度快、滞后量小的特点，所以湿敏电容很容易小型化和集成化。此传感器发送的不是数字量而是模拟量，因此配置内部外设AD接收数据，再通过数值转换变成一个易于理解的较为直观湿度数据。

1.4 CO₂监测模块

采用CO₂传感器TGS4160，它是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在CO₂气体环境中时，就会产生电化学反应。CO₂的敏感原件由2个固态电解质组成，结合一个印制在基板上的RuO₂加热器。通过监测Ｓ（+）、Ｓ（-）两个电极之间所产生的电势值，通过检测两个电极之间电动势的变化来测试CO₂的浓度。TGS4160将检测到的CO₂浓度信号经运算放大器处理后，再将OUT信号送入A /D转化器转化为数字信号。

1.5 光照监测模块

采用BH1750 芯片，BH1750 的内部由光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等组成。光电二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路放大后，由ADC采集电压，然后通过逻辑电路转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中，BH1750引出了时钟线和数据线，单片机通过IIC协议可以与BH1750模块通讯，选择BH1750的工作方式，并将BH1750寄存器的光照度数据提取出来。

1.6 驱动模块

驱动模块包含对温度、湿度、光照强度和CO₂浓度等环境变量的改变装置，即半导体制冷制热片、加湿器、遮阳板、补光灯珠、排风扇。

1.6.1 半导体制冷制热片模块

采用TEC1-12706半导体制冷片，通过主控芯片进行PID算法，来达到反馈控制效果。

半导体制冷模块是一种利用半导体材料的P-N 结具有变温效应的特性，以电流为能量源来产生热、冷的技术。半导体制冷模块的工作原理和基本流程是：

1） 双面加热：将制冷模块的两侧分别接通正负电压，并使之通过电流而产生P、N带的高温区域和低温区域。

2） P、N带热交换：半导体单元中电子通过N带进入到P带，同时半导体材料中的热量也可以随着电子从热面传递到冷面，实现冷却效果。

3） 热电子扩散：由于半导体材料中电子浓度会发生变化，所以会出现热电势差，HER（霍尔效应）将热量从高温区推入低温区。

4） 从低端排放热：冷面的半导体结在不断吸收热量，在消耗时间过后，需要排出这些已经累积在单元上的热量，否则会引起过热。

1.6.2 加湿器模块

通过采用USB喷雾模块，来实现提高室内湿度的功能。该模块采用高频振荡，表面上釉，绿色环保，工作静音，续航能力强且体积小，易安装。包括2种工作模式，连续喷雾和间断喷雾，与继电器相连，可通过单片机实现灵活控制湿度。

1.6.3 遮阳板模块

选用的是SG90 9G舵机，能180度旋转从而控制旋动遮阳板，而且驱动较为简单，通过定时器输出一路PWM就可以控制旋转角度。

对于控制光照强度的做法，采用在舵机上加一个遮阳板，遮阳板上有不同的区域，光能透过面积不同，这样舵机通过转动不同的角度，就可以实现不同光照强度的转换了。

1.6.4 补光灯珠模块

在设计中采用红色和蓝色LED补光灯珠满足光照需求。利用PWM波实现LED灯光照强度的准确调控，从而实现对光照强度的准确把控。由于植物光合作用大多数利用的是红光和蓝紫光，反射效应对绿光吸收效率很低，因此为了提升植物光合作用效率，笔者采用红色和蓝色LED补光灯珠。

1.6.5 排风扇模块

通过单片机输出PWM波控制排风扇风速来实现湿度过高时的排湿功能和CO₂浓度过高的换气功能。

1.7 OLED 显示模块

采用OLED，由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被广泛应用。

OLED屏幕与主板之间的数据传输通过IIC驱动实现，其他的字符输出、清空屏幕等控制命令操作，均可通过相应的IIC命令实现。

1.8 Wi-Fi 模块

本设计使用的联网模块是ESP8266-01s，该模块采用32位低功耗芯片，主频高达160MHz，支持AT指令，同时也支持二次开发。本设计主要通过串口发送AT 指令与ESP8266-01s 模块进行通信，控制ESP8266-01s模块联网和发送数据。

1.9 Lora 模块

ATK-LORA-01_V3.0是一款体积小、微功率、低功耗、高性能远距离LORA无线串口模块。本网关采用LORA无线通信的方式来发送和接收环境数据。

模块设计是采用高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片，这种发射芯片的优点是集成度高、功耗低、频段多，既能够实现远距离的户数传输任务，同时抗干扰的能力又比较强，能够使用多种不同频段进行数据传输。模块的工作频率410Mhz～441Mhz，以1Mhz频率为步进信道，共32个信道，可通过AT指令在线修改串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等各种参数，并且支持固件升级功能。

ATK-LORA-01在使用时，采用AT指令，通过串口通信的方式，可以配置地址、信道、空中速率、发射功率等参数。在工作时，若传输方式为透明传输，可以实现地址相同、信道相同的LORA模块间的数据传输；若传输方式为定向传输，可以实现地址不同，信道不同的LORA模块间的数据传输，避免数据的混乱或者泄露。本次设计采用透明传输的方式进行数据的传送。

2 软件设计

2.1 节点板系统主程序设计

系统启动后，节点板会持续地通过传感器对各类环境参数进行检测，初始化完成后，就定时将各传感器返回的数据发送给网关板，在驱动部分开始前，会检测是否接收到上位机的命令，根据命令判断是运行自动模式还是手动模式。

自动模式下，每次运行都会依次判断光度，温度，湿度，CO2浓度是否符合设定区间，如果参数值不在设定区间范围内，则按照预先设置好的应对过高或过低2种情况运行驱动模块。手动模式时，操控员可以依据云端显示的数据，按照自己的想法发出命令驱动工作电路，如图2所示。

2.2 网关板系统主程序设计

主程序初始化时钟、IO口、定时器、串口、OLED、LORA模块、Wi-Fi模块，连接热点后，网关板部分进入第一次连接网络，若成功，则进入工作循环部分，定时发送串口接收的数据至云端，如图3所示。

2.3光照强度调控过程

根据传入的数值与设定阈值比较结果，为了避免反复操作或判断异常，决定根据光照强度的返回值设置区间，分为表示低、中、高，当返回值是0～10 000，为“低”，当返回值是10 000～35 000 时，为“中”，35000～59 577时，为“高”。当判定为低时，通过旋转舵机，打开遮阳板并且同时打开补光灯，判定为“中”时，仅通过旋转舵机打开遮阳板，判定为“高”时，不进行操作，即舵机不旋转，避免光照强度太高对植物造成伤害，如图4所示。

2.4温度调控过程

根据传感器返回的数值与所设阈值上下限判断，通过驱动电路来驱动半导体制冷片工作，为了更好地控制温度，采用PID算法，来对PWM输出进行控制。

PID算法过程：模糊PID控制在常规PID基础上，以温度反馈值与目标值的误差e 和误差变化率ec 作为输入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法计算PID参数的调整系数，进行在线自整定，以满足不同e和ec 对控制器参数的不同要求。

计算欲调整的控制量变化量：将误差代入3个调整项，得到修正控制量的变化值u（t），公式如下：

其中，Kp、Ki、Kd 是指定的3个系数，对应的是比例项p、积分项i 和微分项d。拟定Kp 为2.0，Ki 为0.03，Kd 为0.1，调整项e（t）表示误差，在这里即为当前温度与目标温度之差；∫e（t）dt 表示从起始时刻开始到当前时刻e（t）的时间积分值，也就是误差的累计值；de（t）/dt 表示误差的导数值，用于预测误差随时间的变化趋势。最后输出控制量，用调整的控制量变化量u（t）更新半导体制冷片工作力度，经过调试，限制u（t）值在0～100，然后将结果赋值给控制输入端口，循环重复上述步骤。

2.5 CO₂浓度调控过程

当大棚内CO₂浓度过高时，打开排风扇，通过使空气流动降低CO₂浓度，同时配合CO₂浓度传感器的反馈，实现对CO₂浓度的基本控制。

2.6 湿度调控过程

根据传入的数值与设定阈值比较结果，采用模糊控制算法。获取的土壤湿度数据为模拟量，范围为0～4 095，通过将简单数据处理得到一个范围为0～100比较直观的数据，方便与阈值比较。

对继电器进行初始化，将获取的湿度与设置的阈值进行比较。当湿度较低时，通过控制继电器开启加湿器进行加湿；当湿度较高时，关闭继电器加湿器，打开排风扇进行排湿。

2.7 通信模块调控过程

节点板的单片机将目标数据通过串口通信，利用Lora模块将数据发送至与网关板连接的Lora模块，网关板的单片机也通过串口通信从Lora模块中取得数据并将数据保存，再利用ESP8266-01s模块，通过连接Wi-Fi能实现将数据发送至移动云端，就可以通过PC登录OneNet查看数据并发送数据，如图5所示。

2.8 LORA模块工作过程