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基于STM32的蔬菜大棚智能监控系统设计

花匠小妙招
2025-01-18 04:42

摘要

随着科技的不断发展，人们的生活水平逐步上升，对自身的健康有越来越重视，故而绿色食品成了人们的追捧，但是绿色食品的参量却不尽人意。蔬菜大棚种植可以完美得解决了人们的需求，但是传统的蔬菜大棚有许多明显的缺点，因此设计了基于STM32单片机蔬菜大棚温控系统。
在本设计中，通过使用STM32作为中央处理器，同时使用了层次化和模块化的电路设计理念，将软件与硬件巧妙的融合在一起，硬件为主，软件为辅。通过各种传感器对蔬菜大棚的内部环境因子进行采集，如空气的温度与湿度、光照的强度、土壤的温度与湿度，这些环境因子的数据就会被采集，通过加热片模块与java语言编译的客户端网站进行对接，客户端对数据进行处理后对STM32单片机反馈，STM32单片机反馈的信息进行处理。试验证实，此设计可以对蔬菜大棚的温度，土壤的湿度与温度，以及光照的强度进行检测并对其做出反应，如进行通风，洒水，补光。均实现了预期的效果.
关键词：蔬菜大棚，温度检测，湿度检测，光照检测，STM32

蔬菜大棚温控系统的总体设计

1 蔬菜大棚温控系统的工作过程
蔬菜大棚温控系统主要由五个部分组成，分别是蔬菜大棚环境因子的采集，蔬菜大棚控制器，加热片数据上传，客户端对比分析，以及蔬菜大棚内环境因子调控设备。如图2-1所示，该图为蔬菜大棚温控系统的工作流程，通过各种感应器对蔬菜大棚内部的各种环境因子进行采集，蔬菜大棚的各种环境因子通过加热片模块上传到数据库，客户端对数据库上传的参数进行对比分析后，会对调控设备发出指令，启动或者关闭调控设备，直到环境因子处于设定好的数值范围以内。
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图1 系统框架图

蔬菜大棚温控系统硬件选型及设计

1 采集设备硬件选型及其电路设计
本课题设计的蔬菜大棚温控系统中具有各种各样的传感器，在对蔬菜大棚内部的环境参数采集后迅速上传到客户端，客户端与设定参数对比后进行反馈，使得调控设备能够运作。我们采用模块化的设计，将各种环境因子采集设备分开采集，避免某个环节出错导致整个环境因子采集系统瘫痪，从而提高了环境因子采集系统的稳定性和检修的便捷性。
3.1.1 蔬菜大棚温湿度采集模块选型及其电路设计
DHT11数字温湿度传感器在使用之前，需要在特别精准的温湿度校验室确定校准系数，这个校准系数将会以程序的形式存储到OTP中。DHT11数字温湿度传感器在对蔬菜大棚内的环境因子系数进行采集后，就会将这些环境因子系数与OTP中的校验系数进行对比，使得检测结果更为精准。DHT11数字温湿度传感器采用了单线制串行接口，整个系统的集成化程度大大提高。DHT11数字温湿度传感器具有许多优良的的特点，如功耗低、体积小，在复杂的环境中都能有着良好的表现。如图1所示，该图为数字温湿度传感器的实物图。
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图1 DHT11数字空气温湿度传感器
常见的蔬菜大棚温度检测与空气湿度检车并没有集成到一起。而且热电阻和热电偶温度传感器测量范围较大，由于蔬菜大棚是一个半封闭的空间，温度变化较小，测量效果不是很理想。所以我们采用了DHT11这一款集空气温度与空气湿度检测一体的传感器。DHR11温湿度传感器引脚配置如图2和表1所示。
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图2 DHT11引脚配置

蔬菜大棚温控系统软件设计

软件是硬件运行时的大脑，对硬件的运作起着控制作用。蔬菜大棚温控系统单片机部分的软件设计运用了Keil uVisionS这一款编译工具，通过C语言编译了硬件运行的逻辑，控制着调控设备。而网页客户端部分则是运用了intellij IDEA这一款编译工具，通过java语言编程，设计了网页客户端平台，可以对蔬菜大棚进行远程调控，同时可是设置环境因子的参数，方便不同作物的种植，也可以对环境因子参数进行记录，便于工作人员的研究[13]。
2 设计方法
本设计中，我们通过对预期的目的进行分析，遵循简单化、高效化、稳定化、集成化的编程特点，最大限度的提升程序的运行效率。为此，我们将各各功能模块化，每个不同的功能都有特定的程序设计方法，这样的话编程将会条例清晰，使得人们更容易理解，而且模块之间没有了依存关系，当某个模块出问题不至于整个程序瘫痪。如图1是蔬菜大棚温控系统的运行流程图。
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图1 蔬菜大棚温控系统的运行流程图

蔬菜大棚温控系统测试

1 测试平台
我们在蔬菜大棚温控系统的软硬件设计完成后，为了检测系统的可靠性，建立了一个蔬菜大棚温控系统的测试平台，通过对室内环境进行监控，证实系统的可行性。硬件的测试设备需要用到STM32单片机的开发板，可以上网的手机、笔记本电脑、环境因子采集模块与调控模块。蔬菜大棚温控系统的硬件设计测试平台如图1所示，在电脑与手机上进行操作。
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图1 整体实物
2 调试过程
初始化调制：
为了蔬菜大棚中的环境因子可以顺利上传，在通电之前，需要对加热片模块进行调试。首先打开手机热点，将加热片的AP频段调为2.4GHz,然后进行通电。通电之后，蔬菜大棚温控系统会进入工作状态，如图5-2所示，此时环境因子采集设备将会开始工作，对蔬菜大棚的环境因子数据进行采集，同时会通过加热片模块将数据上传到客户端[14]。正常工作状态下，PC13口呈闪烁状态，如图2所示。
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图2 硬件工作时状态

结论

本设计经过对国内外蔬菜大棚发展的情况进行了分析，设计了一套稳定性强，功能多的蔬菜大棚温控系统。对目前控制功能单一，稳定性差，容错不高的国产蔬菜大棚温控系统进行了升级。蔬菜大棚的硬件设备主要由STM32单片机中央处理器、环境因子采集设备、加热片模块、调控设备；软件则是运用KeiluVision5通过C语言编译了一套模块式的软件系统。同时用IDEA通过java语言编译了网页客户端[15]。
硬件方面，为了提高蔬菜大棚温控系统的稳定性，使其可以应对各种复杂的环境，本设计对每个模块进行了单独的供电，使其在某个模块出问题时其他模块不受影响。环境因子采集设备选用了DHT11温湿度采集模块、光敏电阻模块、数字温度传感器模块、电容式土壤湿度感应器模块。每个模块都有其对应的电路设计，保证各各模块之间互不干扰，提高系统运行的稳定性。调控设备主要包括通风设备、洒水设备、补光设备。
在软件设计方面，实现了STM32单片机的编程、以及网络客户端的软件设计。中央处理器软件设计包括系统的初始化、数据接收、时间校验。蔬菜大棚的环境因子数据顺利上传到互联网被客户端接收，客户端对蔬菜大棚的调控设备可以进行远程的控制，环境因子的数据正常记录，对作物所处的环境进行了实时监控。
在对蔬菜大棚温控系统的调试过程中，系统运行正常，各各模块的数据都可以在客户端查看到，调控设备运行正常，达到了设计的目的