苏鹏鉴 马海琴

摘 要：随着人们生活水平不断的提高，对蔬菜的品质要求也越来越高。人们都希望能吃上绿色的有机蔬菜，但由于有机蔬菜种植过程要求禁止使用农药、化肥、生长调节剂等化学物质，有机蔬菜生长过程会比较慢，因此，本论文主要介绍有机蔬菜种植过程中环境参数的监测系统。监测系统测量蔬菜种植的环境参数主要有土壤PH值、光照强度、土壤水分、环境温度等。

关键字：种植环境;监测系统;土壤PH值

1.前言

本文设计一款易于使用、性价比高、实时性好的蔬菜环境监测系统，对种植环境的相关参数如：土壤PH值、光照强度、空气温度、土壤水分等参数进行实时监控，为了解决模种植有机蔬菜生长慢的问题，本设计对有机蔬菜种植环境进行监测，监测系统框图如下图1所示，下面对设计使用的各个部分做简要说明。

2. 电源模块

电源是电子设备不可缺少的重要组成部分。本系统的电源需要输出一个3.3V电压。3.3V电源主要为主控电路和各传感器供电，功率要求20W，纹波50mV。设计使用变压器的功率为20W，输入的电压值为市电220V，周期为20ms（频率为50HZ），经过降压与全桥整流滤波后直流电压为6.2V。6.2V电压输入到稳压芯片LM2596的1脚，由2脚输出3.3V直流电压。

3.微处理器模块

主控芯片采用基于ARM Cortex-M 内核的32位的微控制器STM32F103C8T6，其RAM容量是20KB，程序存储器FLASH容量是64KB，符合设计所需容量要求。其工作温度为-40℃～85℃，合适在户外环境工作。系统时钟最高可到72MHz，能满足数据快速处理的要求。自带10通道12位模数转换器，可进行高精度多通道的AD采集。

4. 显示模块

显示模块采用分辨率为128 *64的OLED，供电电压3.3V，该OLED有多种接口方式，包括6800和8080 兩种并行接口方式，3线或4线的串行SPI接口方式，2根线控制IIC 接口方式，接口方式选择由屏上的BSO～BS2来配置选择。在本设计中采用IIC接口方式，能节约IO引脚。128 *64OLED屏本质是有128×64个小灯泡组成，为了方便使用，可以将其分成16*8个小方格，每个小方格由8×8的小灯泡组成，想要一个8×8的字符刚好可以在这一个小方格内显示，表达一个8×8的字符则需要8个字节。通常，可用LCD取模软件得到字符的字模。

5. 传感器模块

5.1 GY-39传感器模块

GY-39是一款集光照强度、温湿度及大气压强的传感器模块，工作电压在3-5V，工作电流5mA，功耗小，工作温度在-40°～85°。GY-39模块采用BMF280高精度低能耗的数字气压传感器芯片和MAX44009光强度传感芯片。BMF280通过IIC接口实现访问，该芯片可测量空气中的压力、温度、湿度等环境参数。同时，模块自带MCU，MCU负责收集传感器数据，统一处理后直接输出计算结果，STM32单片机可以直接读出MCU输出的数据。STM32单片机与模块MCU的通信方式有2种，串口UART或IIC。串口UART通信方式时，波特率有9600bps与115200bps两种，每一帧通常有8-13个字节的十六进制数，每一帧数据格式为：帧头标志+数据类型（监测对象数据）+数据字节数+数据+检验和。其中，帧头表示为2个字节数据0X5A，数据类型有0X15表示光照强度，0X45表示温度、气压、湿度、海拔。设数据Byte1- Byte10为光照强度计算公式（lux）：Lux=（Byte1<<24）|（Byte2<<16）|（Byte3<<8）| Byte4。温度计算公式（℃）：T=（（Byte1<<8）| Byte2）/100。气压计算公式（pa）：P=（（Byte3<<24）|（Byte4<<16）|（Byte5<<8）| Byte6）/100。湿度计算公式（%）：Hum=（（Byte7<<8）| Byte8）/100。海拔计算公式（m）：H=（（Byte9<<8）| Byte10）。检验方式采用将数据累加，取结果的低八位数据进行校验。在IIC通信模式下，要求通信时钟低于40KHZ，帧数据读取间隔应小于10HZ，否则存在数据读取错误风险。

5.2 土壤湿度传感器

监测土壤湿度采用常用市面上常见的电容式土壤湿度传感器，该传感器采用ECH20系列传感器，传感器上的薄膜聚合物因为周围湿度改变，引起聚合物外膜相对介电常数ε与电容量变化。测量原理公式：=

式中：0 =8.854× 为真空介电常数（F/m）;为板间遮盖面积（m2）;为板间电容量（F）;为板件厚度（m）;为含高湿敏性基材板件聚合物外膜介电常数（F/m）。

5.3 PH值传感器

PH传感器模块采用PH4502C，该模块设计有BNC复合电极接头，必须要模块与PH复合电极进行连接方可进行使用。模块工作会使模块温度发生变化，需在软件中进行温补的功能。PH传感器模块输出的是模拟电压信号，使用STM32F103C8T6自带的AD采集，来实现该部分所需的模数转换功能。

市面上的PH复合电极品种类型各不一致，而且由于电极存在合体差异，在使用前还要进行电极PH值得校准工作，在得到很好的校准曲线后才能与PH值模块通过BNC接口进行连接使用。

6. 蓝牙模块

设计使用HC-05 4.0蓝牙模块，该模块低待机功耗，10m远距离连接，采用CC2541芯片，配置256Kb空间，遵循V4.0BLE蓝牙规范。模块支持AT指令，用户可根据需要对串口波特率、设备名称、配对密码等参数进行更改并支持UART串口通信。

7.结束语

设计可在许多场合中应用，为种植蔬菜提供可靠的、准确的环境参数数据。

作者简介：苏鹏鉴 （出生于出生日期：1986.08）男 汉 广西岑溪 本科  职称：工程师 研究方向：电子测量、嵌入式开发 工作单位：桂林电子科技大学

基金项目：课题来源：广西壮族自治区教育厅;课题名称：立体有机蔬菜种植环境监测系统研究;课题编号：2020KY05030