毛 群，张 勇

(阿坝师范学院 电子信息与自动化学院，四川 汶川 623002)

0 引 言

国内川西南偏远地区，很多地方采用传统温室大棚生产，限于成本较高等方面问题，目前只能通过单方面数据控制温室大棚内部环境，不能根据植物生长需求、地域条件差异很好地为大棚内部的空气温湿度、CO2浓度，光照强度、土壤湿度等环境因数提供有效的解决方案[1]，温室大棚控制没有实现无线传输的远距离控制。 为解决传统温室大棚智能化水平不足，笔者设计一款具有环境信息采集和数据处理能力的温室大棚智能控制系统，利用传感器采集外部环境信息数据，单片机通过其UART、IIC、SPI接口与传感器通信获取数据，数据处理模块通过对当前获取数据进行判断，利用单片机控制是否需要驱动喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备，同时通过ESP8266对终端发送数据进行实时监测，终端可通过发送数据请求驱动相应控制设备，实现智能化控制。

1 温室大棚智能控制系统设计

温室大棚智能控制系统设计如图1所示。

图1 系统框图

温室大棚智能控制系统由温湿度传感器、光照传感器、CCS811传感器、土壤湿度传感喷淋滴灌、内外遮阳、开窗通风、加温补光等，保证温室大棚内环境条件适宜相应植物生长，同时用户可通过WIFI向STM32发送命令，STM32执行相应命令功能。

2 温室大棚系统硬件设计

2.1 微控制器电路

系统所采用的微控制器是STM32F407ZGT6单片机，它使用了高性能的32位Cortex-M4内核，最高频率可达168Mhz，高达1MB Flash/192+4KB RAM,拥有140个具有中断功能的I/O端口、17个定时器、15个通信接口、3个12位2.4MSPSADC、2个12位DA转换器、CRC、RTC、真随机数发生器等，两条APB总线的外设，具有良好的性能。单片机是整个系统的控制核心，系统整体控制电路如图2所示。

图2 STM32F407系统电路图

2.2 DHT11温湿度传感器

DHT11是一款温湿度数字传感器，包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，内部与一个8位单片机相连接[2]。DHT11湿度传感器与单片机STM32F407ZGT6之间采用单总线通信，每次传输40bit数据，DHT11的数据输出为：8位湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和，其中校验和数据为前四个字节相加，某次从DHT11读到的数据如表1所列。DHT11的数据发送流程如图3所示。DHT11测量电路如图4所示。

表1 DHT11数据

图3 DHT11数据发送流程

图4 DHT11测量电路

2.3 光照传感器

光照传感器是利用光敏电阻的光电流与光照度之间的关系判断光照强度，无光照时其电阻值很高，只能流过微弱的电流；当受到光照时其电阻值降低，电流随入射光强度的变化而变化，利用这个电流变化，通过ADC读取电压值判断外部光线的强弱，系统中光敏电阻测量电路如图5所示。

图5 光敏电阻测量电路

2.4 YL-69湿度传感器

YL-69是一个简单的土壤湿度传感器,当环境湿度改变时,湿敏电容存在的环境中的介质将发生改变,导致湿敏电容中的电容数值产生变化，电容的数值与湿度值成正比[3]。通过YL-69的探头能够采集当前的湿度值，通过ADC读取电压值判断湿度的高低，系统中湿度传感器测量电路如图6所示。

图6 湿度传感器测量电路

2.5 CCS811气体传感器

CCS811是一款超低功耗微型气体传感器，CCS811的特性与优点包括：内置微控制器，管理传感器驱动模式与测量挥发性有机化合物(VOC)；板载处理能力，无需主机干预即可提供等效二氧化碳(eCO2)等级或总挥发性有机化合物(TVOC)指标[4]。单片机STM32F407ZGT6与CCS811之间采用IIC接口进行通信，但与最常见的IIC传感器相比，多了中断、使能、复位功能和相应的管脚。某次通过IIC读取的数据如表2所列。

表2 通过IIC读取的数据

eCO2_data=((uint16_t)Byte0<<8)|((uint32_t)Byte1<<0))；

TVOC_data=((uint16_t)Byte2<<8)|((uint32_t)Byte3<<0))；

CCS811气体传感器测量电路如图7所示。

图7 CCS811气体传感器测量电路图

2.6 ESP8266通信模块

ESP8266是一款基于WIFI协议的无线传输模块，ESP8266模块支持STA、AP、STA+AP三种模式功能。STA模式：ESP8266通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现远程控制；AP模式：将ESP8266作为WIFI热点，手机或电脑直接与模块进行通信，实现局域网无线控制；STA+AP模式：两种模式的共存模式。ESP8266内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接，通过串口或I/O口进行通信[6]。本系统采用AP模式，通过ESP8266作为热点实现用户与单片机STM32F407ZGT6通信，配置如图8、9所示，ESP8266电路如图10所示。

图8 ESP8266配置图

图9 连接ESP8266图

图10 ESP8266电路图

3 温室大棚系统软件设计

系统软件设计通过系统配置初始化ADC、IIC、UART、SPI等接口，采用温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器、土壤湿度传感器等采集数据，将采集的数据通过液晶显示，通过数据分析判断当前所采集的数据否在设定阈值之内，若不在所设定阈值之内，单片机将驱动相应控制系统进行参数调节；若在所设定阈值内，单片机将判断是否需要远程控制，若不需要远程控制，单片机则继续采集数据进行判断；若需要用远程控制控制，单片机将所接收到的数据进行判断，从而执行相应的功能，执行完后继续采集数据进行判断。系统软件设计流程图如图11所示。

图11 软件系统设计程序流程图

4 温室大棚系统调试

软硬件设计调试完成后，本系统在室内进行了整体测试，测量结果如图12～15所示，系统可以准确显示传感器和ADC采集的数据，并通过数据分析驱动相应的控制器。不同的时间段测试各项参数数据见表3所列。

图12 光照系统图 图13 修改光照阈值图

图14 通风系统图 图15 灌溉系统图

表3为白天空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度在不同时间段的变化，可以通过针对不同植物生长条件要求，设定相应的环境值，单片机对比采集的值与所设定的值,通过数据处理之后，单片机驱动相应继电器实现环境参数调节，满足系统需求。

表3 数据测试

5 结 语

利用STM32单片机为控制核心，使用ESP8266通信模块及各种传感器，设计出一套性能稳定、价格低廉的温室大棚智能控制系统，可对大棚内植物的生长环境进行实时检测，数据处理与分析，提供最佳的解决方案，使植物处于最优生长环境。实验表明，该系统能安全、可靠、高效地将环境数据信息传递给用户，便于用户管理和使用，具有一定的实用价值。