安鶴峰

摘要：介紹一種基于STM32的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。以基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列微處理器為核心，采用防護(hù)型溫濕度數(shù)字傳感器進(jìn)行溫濕度采集，在多組四位數(shù)碼管上實時顯示溫度和濕度；通過Zigbee無線模塊進(jìn)行實時數(shù)據(jù)互通及參數(shù)設(shè)置，微處理器完成相關(guān)計算后，對放風(fēng)、噴淋等設(shè)備發(fā)出指令。

關(guān)鍵詞：溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)；STM32處理器；設(shè)計；大棚；參數(shù)設(shè)置

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）11-0015-03

隨著微電子科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技的智能化需求越來越高，傳統(tǒng)直布線測量與控制方式已經(jīng)無法滿足需求，采用無線傳輸溫濕度成為必然趨勢。以STM32為控制核心設(shè)計溫濕度控制系統(tǒng)，采用高精度溫濕度傳感器對溫度進(jìn)行實時測量，利用STM32核心處理器進(jìn)行比對、轉(zhuǎn)換等計算，使用無線模塊和GPRS模塊連接上位機(jī)，并通過上位機(jī)串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

1 設(shè)計方案論證

1.1 控制部分

方案1：采用STC89C51/52八位單片機(jī)實現(xiàn)控制。此單片機(jī)軟件自由度較大，硬件成本低，但資源相對較少，需要強(qiáng)勁的“芯”來支持聯(lián)網(wǎng)通信功能，這在八位機(jī)上很難實現(xiàn)，因此不適用于該系統(tǒng)。

方案2：采用當(dāng)前較流行的STM32控制器。此控制器硬件資源豐富，包括多個I/O接口和SPI通訊接口，性價比很高，且便于操作。

1.2 傳感器部分

方案1：采用NTC熱敏電阻溫度傳感器和HR202濕敏電阻傳感器模擬量輸出，性價比較高。

方案2：采用數(shù)字溫濕度傳感器輸出全數(shù)字化信號，有利于單片機(jī)處理和控制，且體積小、省去很多傳統(tǒng)外圍電路，但該傳感器價格比傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器高，且軟件操作較繁瑣。

1.3 聯(lián)網(wǎng)控制部分

聯(lián)網(wǎng)控制部分采用當(dāng)前流行的Zigbee射頻模塊，其具有靈敏度高、反應(yīng)速度快，組網(wǎng)能力強(qiáng)、安全可靠的特點。再利用GPRS模塊與Zigbee局域網(wǎng)互聯(lián)成一個整體，解決移動網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)覆蓋的問題。

1.4 放風(fēng)控制部分

采用大棚兩側(cè)放風(fēng)方式。

1.5 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)控制部分采用STM32F103系列微處理器，傳感部分采用SHT15數(shù)字溫濕度傳感器，組成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 溫濕度采集模塊

在大棚生產(chǎn)中，溫度和濕度是最主要的被控參數(shù)之一。其中相對濕度的測量比較復(fù)雜，需要設(shè)計信號調(diào)整電路及較為復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定過程，且測量精度難以保證。究其原因，濕敏元件在穩(wěn)定性、可靠性、非線性等方面很難達(dá)到均衡。

傳感器選用SHT15數(shù)字溫濕度傳感器，其將工業(yè)級CMOS芯片技術(shù)與傳感技術(shù)結(jié)合起來，由多個傳感模塊組成單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出溫度和相對濕度。將溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)整、I2C接口等全部集成到傳感器內(nèi)，不但干擾更少，而且設(shè)備體積也更小。SHT15的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

SHT15全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出，溫度測量范圍為-40～+123.8 ℃，精度可達(dá)±0.3 ℃；濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度可達(dá)±2%RH；響應(yīng)時間為8 s（tau63%）。

2.2 Zigbee無線模塊及GPRS模塊

SN102無線模塊以射頻模式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SPI接口與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、指令發(fā)送與接收。此模塊可對多個大棚中的溫濕控制設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，形成1個1 000～2 500 m范圍的局域網(wǎng)絡(luò)。其特性如下：1） 安全可靠。Zigbee技術(shù)采用AES-128加密算法，具有完整性檢查和鑒權(quán)功能。同時，其采取的碰撞避免機(jī)制有效避免了數(shù)據(jù)接發(fā)時的競爭和沖突，且同頻抗擾能力也非常出色，支持跳頻及固定頻率2種工作模式。2） 自組網(wǎng)和自愈能力強(qiáng)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以增加、刪除或移動節(jié)點，當(dāng)節(jié)點出現(xiàn)發(fā)送阻礙時可以自我修復(fù)，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。無線人工干預(yù)可感知節(jié)點的存在，并構(gòu)造成星形、樹形、點對點、點對多點、MESH網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)深度可達(dá)到8級。3） 反應(yīng)速度快。此設(shè)備發(fā)射功率可達(dá)17 dbm，深度休眠喚醒時間120 us，能夠滿足實時通信要求。

2.3 GPRS模塊

GPRS模塊采用西門子MC35。該模塊可提供40線ZIP接口、SIM卡接口、標(biāo)準(zhǔn)RS232雙向接口，支持EGSM900MHz/GSM1800MHz雙頻2種工作模式。

2.4 放風(fēng)控制器

大棚卷膜兩側(cè)放風(fēng)時，直流電機(jī)功率在60～100 W之間，電機(jī)雙向轉(zhuǎn)動，一旦棚內(nèi)溫度超過設(shè)置限值，電機(jī)即根據(jù)設(shè)定要求正向卷起棚膜或反向放下棚膜。T通過4個功率元件組成H橋電路，用場效應(yīng)管、三極管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速，輸出電流要求達(dá)到6 A。

2.5 STM32主控電路

該處理器是一款嵌入式ARM處理器，為MCU提供低成本的平臺、縮減的引腳數(shù)目和較低的系統(tǒng)功耗。同時，其也提供卓越的計算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)。STM32主控電路是一款精簡指令集計算機(jī)RISC處理器，擁有一致的指令模式和相同的指令周期，提供額外的代碼效率。其增強(qiáng)型系列還擁有內(nèi)置RAM核心，可與所有的ARM工具和軟件兼容。

STM32F103系列微處理器的基本功能和特點為：1） 適合工作于-40～+105 ℃的環(huán)境，供電電壓在2.0～3.6 V之間，省電模式保證低功耗的應(yīng)用要求。2） 工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)128 K字節(jié)的內(nèi)存和20 K字節(jié)的SRAM），有豐富的增強(qiáng)I/O端口和鏈接到2條APB總線的外設(shè)。51個快速I/O端口，且所有I/O口均可以映像到16個外部中斷，允許5 V信號。3） 所有型號的器件都包含2個12位ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器。4） 包含先進(jìn)的通信接口，即2個I2C和SPI、3個USART、1個USB、1個CAN。5） 增強(qiáng)型系列包括36～100腳等5種不同封裝形式，不同形式的器件外設(shè)配置不盡相同。系統(tǒng)采用的48腳處理器如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

軟件程序主要分2部分：電力系統(tǒng)通斷控制和溫濕度數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)主程序的框圖如圖4所示。

4 結(jié)語

目前，雖然嵌入式微處理器在農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，但很多傳統(tǒng)的嵌入式微處理器為8位，性能無法得到有效提升，而傳統(tǒng)32位基于ARM的處理器需要嵌入式操作系統(tǒng)支持，無法使整個系統(tǒng)更加精煉。以Cortex-M為內(nèi)核的新型微處理器不需要操作系統(tǒng)支持，用Keil C語言進(jìn)行編程，大大減輕了設(shè)計人員的工作量。

以Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103增強(qiáng)型ARM處理器，結(jié)合防護(hù)型溫濕度數(shù)字傳感器進(jìn)行溫濕度采集，并在多組四位數(shù)碼管上實時顯示溫度和濕度；通過Zigbee無線模塊進(jìn)行實時數(shù)據(jù)互通、參數(shù)設(shè)置等操作；微處理器完成相關(guān)計算后，對設(shè)備放風(fēng)、噴淋等設(shè)備發(fā)出指令。根據(jù)大棚的實際需要調(diào)取大棚實時溫濕度記錄，并進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，可實現(xiàn)大棚的溫濕度智能化控制管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘輝，張燕，張明，等.基于ZigBee的倉庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2014（9）：1737-1740.

[2] 王東濤，鞠鳳船.農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（35）：20446-20447.

[3] 蔣鼎國.基于GPRS的溫室大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（9）：2153-2155.