摘?要：不同的農(nóng)作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度需求各不相同，溫濕度的高低均會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響。本文針對(duì)此問(wèn)題開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103單片機(jī)的農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)通過(guò)溫濕度采樣模塊獲取農(nóng)田土壤溫濕度的變化情況。根據(jù)采集到的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)行精細(xì)化管理灌溉，提高農(nóng)田的利用效率和產(chǎn)出水平。

關(guān)鍵詞：STM32F103單片機(jī)；溫濕度監(jiān)測(cè)；無(wú)線監(jiān)測(cè)；智慧農(nóng)業(yè)

隨著我國(guó)大批量標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田的建成以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化，農(nóng)田土壤監(jiān)測(cè)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。農(nóng)田土壤的溫濕度是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中非常重要的參數(shù)，農(nóng)田土壤溫濕度對(duì)于影響作物的光合作用和蒸騰作用，以及控制土壤微生物活動(dòng)有著重要的作用，它直接影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量。目前傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤溫濕度檢測(cè)利用定期到田間進(jìn)行采樣和測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行農(nóng)田土壤溫濕度檢測(cè)。

傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測(cè)方法需要人工采樣和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，耗時(shí)耗力且成本較高，本文設(shè)計(jì)了一種農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)通過(guò)溫濕度采樣模塊獲取農(nóng)田土壤溫濕度的變化情況。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)獲取土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化管理灌溉，提高農(nóng)田的利用效率和產(chǎn)出水平。

1?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

STM32F103單片機(jī)為系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的主控芯片，再通過(guò)外部電路實(shí)現(xiàn)其他各部分功能，主要包括溫濕度采集模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、OLED顯示模塊、ESP8266?WiFi模塊、報(bào)警模塊、水泵灌溉模塊、按鍵模塊、電源模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的工作流程如下：首先，用戶通過(guò)按鍵設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。其次，傳感器會(huì)采集土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，以及環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電平信號(hào)，然后被送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最終單片機(jī)輸出相應(yīng)的溫度和濕度數(shù)值，OLED顯示屏顯示數(shù)值，ESP8266模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信，STM32F103單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果將控制信號(hào)輸出至三極管驅(qū)動(dòng)模塊，三極管驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)施灌溉，直至土壤濕度保持在給定區(qū)間。

2?系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)原理

2.1?STM32F103模塊簡(jiǎn)介

農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇使用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板。以STM32F103C8T6芯片為核心，64K×8bit的Flash，20K×8bit的SRAM，溫度傳感器通道ADC_Channel_16和內(nèi)部參考電壓通道ADC_Channel_17，4個(gè)16bit定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，分別為T(mén)IM1、TIM2、TIM3、TIM4，2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器（獨(dú)立看門(mén)狗IWDG、窗口看門(mén)狗WWDG），2個(gè)IIC，2個(gè)SPI，3個(gè)USART，1個(gè)CAN，內(nèi)部8MHz時(shí)鐘HSI最高可倍頻到64MHz，外部8MHz時(shí)鐘HSE最高可倍頻到72MHz。STM32F103C8T6單片機(jī)主要處理土壤溫濕度傳感器模塊傳入的數(shù)字電平信號(hào)，通過(guò)LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)，并且輸出控制電平至三極管進(jìn)行繼電器連接水泵的控制。最終通過(guò)串口通信與ESP8266模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其低電壓、高性能微處理和快速可擦除字節(jié)特點(diǎn)被廣為應(yīng)用。它非常簡(jiǎn)單、方便，易于使用，體積小。在醫(yī)療機(jī)構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制、停車(chē)場(chǎng)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和通信設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。STM32F103C8T6芯片管腳圖如圖2所示。

2.2?報(bào)警模塊簡(jiǎn)介

該報(bào)警電路使用蜂鳴器來(lái)報(bào)警，因?yàn)榉澍Q器在用法上類(lèi)似于家用電器中的喇叭。蜂鳴器通常工作電流比較大，

電路中的TTL電平基本驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大電路才行。一個(gè)管腳很難驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，因此在電路中用上了一個(gè)三極管來(lái)增加通過(guò)蜂鳴器的電流。

蜂鳴器的正極性的一端連接到5V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基級(jí)由單片機(jī)的P1.5管腳通過(guò)一個(gè)與非門(mén)來(lái)控制，當(dāng)P1.5管腳為低時(shí)，與非門(mén)輸出高電平，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當(dāng)P1.5管腳為高時(shí)，與非門(mén)輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。這里與非門(mén)是作為非門(mén)來(lái)用的，采用一個(gè)非門(mén)的作用是為了防止系統(tǒng)上電時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲音，系統(tǒng)復(fù)位以后，I/O口輸出高電平。

該模塊示意圖如圖3“蜂鳴器報(bào)警電路”所示。這樣的設(shè)計(jì)可以用于報(bào)警系統(tǒng)的聲音提示，通過(guò)單片機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的開(kāi)關(guān)。

2.3?OLED顯示模塊簡(jiǎn)介

OLED（Organic?Light?Emitting?Diode）也叫有機(jī)發(fā)光二極管。該顯示模塊被認(rèn)為是未來(lái)平面顯示器領(lǐng)域具有巨大潛力的新型應(yīng)用技術(shù)。由于OLED具有自發(fā)光特性，因此無(wú)須另外的背光源。其優(yōu)勢(shì)包括高對(duì)比度、超薄、廣闊視角、快速響應(yīng)時(shí)間、可實(shí)現(xiàn)柔性曲面板應(yīng)用、廣闊的工作溫度范圍以及簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和制程。因此，OLED在顯示效果上通常優(yōu)于其他技術(shù)。在這里，該系統(tǒng)使用了0.96英寸OLED顯示屏，提供黃藍(lán)、白、藍(lán)三種顏色選項(xiàng)，分辨率為128×64。提供多種連接方式，包括3線或4線串行SPI接口，以及2線控制的IIC接口。該OLED顯示模塊支持IIC及SPI通信方式，在此該系統(tǒng)屏幕功能菜單復(fù)雜對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求較高，所以選擇七針SPI通信方式OLED模塊。OLED顯示模塊電路如圖3“OLED顯示模塊電路”所示。

2.4?濕度模塊簡(jiǎn)介

傳感器（Transducer）是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

在醫(yī)學(xué)、工程、汽車(chē)、工業(yè)、環(huán)境、科學(xué)研究和日常生活等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器、傳感器信號(hào)線等。

濕度采集可以通過(guò)濕度傳感器實(shí)現(xiàn)，將濕度傳感器視為可調(diào)電阻器。當(dāng)濕度傳感器感知到溫濕度時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，濕度最小時(shí)的電阻值為10K。隨著濕度變化，電路輸出電壓也隨之改變。通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值大小，可以得到所需的電壓輸出，以滿足電路的需要。本次設(shè)計(jì)所采用的是土壤濕度傳感器YL69，如圖3“土壤濕度傳感器電路”模塊所示。

2.5?溫度模塊簡(jiǎn)介

DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，由美國(guó)公司Dallas?Semiconductor制造。它采用了一線數(shù)字接口（OneWire?Interface），可以直接通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和供電。DS18B20具有高精度、高分辨率和廣泛的工作溫度范圍，使得它在各種應(yīng)用中被廣泛使用。

DS18B20的主要特點(diǎn)包括：（1）溫度測(cè)量范圍：-55℃到+125℃。（2）分辨率可調(diào)：9位、10位、11位或12位。（3）采用直接數(shù)字輸出，無(wú)須校準(zhǔn)。（4）提供了唯一的64位ROM編程地址，可以在系統(tǒng)中輕松識(shí)別多個(gè)傳感器。（5）供電電壓范圍：3.0V到5.5V。（6）內(nèi)置溫度報(bào)警功能。

DS18B20廣泛應(yīng)用于溫度監(jiān)控、環(huán)境控制、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。它的性能穩(wěn)定可靠，體積小巧，安裝使用方便。與模擬溫度傳感器相比，它省去了與微處理器接口連接時(shí)所需的A/D轉(zhuǎn)換和復(fù)雜的外圍電路，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且縮小了體積。

2.6?DHT11模塊簡(jiǎn)介

DHT11是一種數(shù)字溫濕度傳感器模塊，其硬件工作原理如下：當(dāng)DHT11模塊接收到讀取指令后，它會(huì)主動(dòng)開(kāi)始工作。首先，DHT11通過(guò)內(nèi)部的溫濕度傳感器感知環(huán)境的溫度和濕度，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后，模塊通過(guò)單總線數(shù)字信號(hào)將這些數(shù)據(jù)傳輸給外部的控制器或微處理器。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，DHT11模塊使用一種特殊的協(xié)議，包括起始信號(hào)、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位。控制器或微處理器接收到數(shù)據(jù)后，可以對(duì)其進(jìn)行解析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的監(jiān)測(cè)和控制。DHT11模塊連接電路如圖3“DHT11模塊”所示。

2.7?水泵驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)介

本模塊采用1k電阻R4對(duì)電平進(jìn)行限制，當(dāng)單片機(jī)給繼電器高電平，8050三極管導(dǎo)通，此時(shí)VCC和GND導(dǎo)通，10k電阻在該電路中為上拉電阻（Pullup?resistors），8550此時(shí)正常工作，從而通過(guò)程序來(lái)控制水泵開(kāi)啟和關(guān)閉。水泵驅(qū)動(dòng)電路如圖3“水泵驅(qū)動(dòng)電路”所示。

2.8?ESP8266模塊簡(jiǎn)介

ESP8266是一款低成本W(wǎng)iFi模塊，由中國(guó)的芯片制造商樂(lè)鑫信息科技（Espressif?Systems）開(kāi)發(fā)。它集成了一個(gè)完整的WiFi網(wǎng)絡(luò)功能，能夠輕松地將各種設(shè)備連到WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。ESP8266可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從設(shè)備與主MCU（微控制單元）配合使用，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備、智能家居、無(wú)線通信等領(lǐng)域。

ESP8266集成了一顆32位的Tensilica?L106?RISC處理器，內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，并支持STA（Station）和AP（Access?Point）兩種工作模式。它可以通過(guò)串口或SPI接口與其他設(shè)備進(jìn)行通信，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ESP8266的主要特點(diǎn)包括：支持802.11b/g/n無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，可以連接到現(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如HTTP、FTP、MQTT等。提供GPIO引腳，可方便與外部傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備進(jìn)行連接。可通過(guò)AT指令或編程方式進(jìn)行控制和配置。它具有低功耗特性，適合于電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。ESP8266電路如圖3“水泵驅(qū)動(dòng)電路”所示。

3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序部分如下，首先開(kāi)始進(jìn)行程序OLED模塊初始化、ESP8266模塊初始化、DHT11模塊初始化、土壤溫濕度模塊初始化，然后進(jìn)行清屏函數(shù)，清空OLED屏幕顯示對(duì)當(dāng)前土壤溫濕度以及環(huán)境溫濕度信息進(jìn)行顯示，隨后進(jìn)行按鍵檢測(cè)，輸出上下限，進(jìn)行上下限判斷，打開(kāi)繼電器對(duì)水泵進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。ESP8266上傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制。整個(gè)主流程圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于STM32F103單片機(jī)的農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)Proteus仿真軟件仿真了農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)的控制和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田土壤溫濕度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線監(jiān)測(cè)、采集及控制。該系統(tǒng)體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫濕度控制及灌溉系統(tǒng)中具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2021年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（ZK2156），項(xiàng)目名稱(chēng)：農(nóng)田土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

作者簡(jiǎn)介：康晉（1989—?），男，漢族，陜西楊凌人，碩士研究生，副教授，主要研究方向：數(shù)據(jù)通信技術(shù)。