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        基于物聯(lián)網(wǎng)的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2019-05-17 07:42:36汪思德陳乙鑫
        現(xiàn)代計(jì)算機(jī) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:溫濕度串口單片機(jī)

        汪思德,陳乙鑫

        (西華大學(xué)計(jì)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(gè)方面,是當(dāng)前信息時(shí)代的主要技術(shù)之一。本創(chuàng)新設(shè)計(jì)正是運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),主要針對(duì)工業(yè)或現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的周邊環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境,滿足精準(zhǔn)對(duì)環(huán)境監(jiān)測的要求。

        1 方案介紹

        本系統(tǒng)主要包括三個(gè)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(shí)時(shí)顯示。同時(shí),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(jì)

        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(jì)

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

        MCU 最小系統(tǒng)電路包含了時(shí)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(shí)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(shí)鐘信號(hào),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(shí),單片機(jī)復(fù)位,單片機(jī)正常工作時(shí)復(fù)位引腳NRST 被上拉,保持高電平。若需要手動(dòng)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(gè)電阻構(gòu)成了啟動(dòng)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(dòng),這是正常的工作模式。當(dāng)需要改變單片機(jī)啟動(dòng)模式時(shí),可以通過改變R4-R7 四個(gè)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(dòng)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(shí)綠色LED 被點(diǎn)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(yùn)行時(shí),LED 會(huì)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(gè)電容是MCU 電源去耦電容,PCB 布局時(shí)緊靠在MCU 電源引腳,保證MCU 供電穩(wěn)定。

        圖1 硬件平臺(tái)功能框圖

        2.3 傳感器模板設(shè)計(jì)

        (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(jì)運(yùn)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(hào)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(jì)運(yùn)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(jì)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(jì)運(yùn)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(jì)

        本系統(tǒng)通信模塊采用ALIENTEK 推出的一款高性價(jià)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(jì)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(jì)

        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(gè)進(jìn)程協(xié)同完成功能,每個(gè)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(duì)各個(gè)傳感器輸出數(shù)字信號(hào)的讀取,并存入FIFO 隊(duì)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(hào)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(duì)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(diǎn)結(jié)構(gòu)體→放入接收FIFO 緩存隊(duì)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(gè)首部→校驗(yàn)首部→讀取數(shù)據(jù)域→校驗(yàn)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(duì)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(yùn)用層發(fā)出控制信號(hào)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(duì)列→從未發(fā)送隊(duì)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(jì)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能,能實(shí)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(jì)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,運(yùn)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(shí)具有一定擴(kuò)展性,不僅能運(yùn)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(yùn)用于遠(yuǎn)程空氣質(zhì)量檢測。但本設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)的控制部分還只是理論的設(shè)計(jì),并沒有實(shí)際運(yùn)用。同時(shí),本設(shè)計(jì)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(diǎn)監(jiān)控的組網(wǎng),后續(xù)需要做較大改進(jìn)。設(shè)計(jì)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(shí)間限制,最終改為從AC220V 市電供電。后續(xù)改進(jìn)時(shí)可優(yōu)化電源設(shè)計(jì)。

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