基于STM32的植物生长因子无线远程监测系统的制作方法

本发明属于农业科技应用领域，涉及一种基于STM32的植物生长因子无线远程监测系统。

背景技术：

我国是一个农业大国，大部分地区的气候条件各有差异，特别是在一些环境恶劣山区，干旱少雨，土质贫瘠，这些劣势都严重制约了作物的产量，影响了农民的收入水平。另外社会在不断发展，从事农业生产的人也越来越少，而社会对农业产品的需求却越来越大，对农业技术进行升级改造，将日新月异的科学技术融入到实际的农业生产中迫在眉睫，为农业生产者创造切实可行的科技产品并应用到实践当中，把前沿的科技普遍化、推广化，才能为农业生产增收。目前世界各国都在大力发展温室技术，一些国家甚至实现了温室技术的自动化和无人化，我国在温室技术方面起步较晚，在相应的配套设施和技术设备上还比较匮乏，而在温室技术中的一个重要环节就是对植物生长因子中土壤湿度、空气温湿度和光照度的实时采集和监控。摸清植物的生长规律，知道植物的生长因子，根据植物的生长条件去改变外部生长环境那么在农业生产中就能达到产量最大化的效益了。针对我国的农业生产状况，如果能设计一种便携实用的关于植物生长因子的智能监测系统，那么在实际的农业生产中就可以对植物的生长条件达到实时检测其生长状况的目的了。本发明就是依据这个问题设计了这么一套系统，能够对土壤湿度、空气湿度、空气温度和光照强度实时采集和无线远程监测。该系统不受时空地域限制能够对植物生长因子进行实时监测，获得数据的精确度和效率都大大提高。虽然目前市场上有相似的产品，但价格不菲，对本来收入微薄的农民工兄弟来说是一个不小的开支。

技术实现要素：

本发明的目的，是要在数据信息采集终端实时采集植物的生长状况因子包括光照强度、土壤湿度、空气湿度、空气温度，通过无线通信传输装置发送给数据信息显示终端来数字显示并保存数据，同时自动绘制一条近六个小时各因子的折线图方便用户查看变化趋势。

为达到上述目的，本发明采用以下系统方案：

本发明由硬件系统和软件系统组成。

硬件系统由三大部分构成，其一是植物生长因子的数据信息采集终端，其二是植物生长因子的数据信息显示终端，其三是电源供电系统。

数据信息采集终端主要包括各路传感器、STM32F103C6T6微控制器、无线数据发射装置、天线未插时的LED和蜂鸣器声光提醒电路和外接高速晶振电路等。

数据信息显示终端主要包括液晶触摸显示器、STM32F103C8T6微控制器和无线数据接收装置等。

电源供电系统采用USB线供电,可使用手机USB充电插头或移动电源提供5V电源，内部电压转换电路把5V电源转换成3.3V电压，为数据信息采集终端和数据信息显示终端供电。

软件系统由两大部分构成，其一是数据采集终端软件设计，其二是数据显示终端软件设计。

数据信息采集终端软件设计主要由五个模块程序组成。一是土壤湿度信号采集转换模块程序；二是空气湿度信号采集读取模块程序；三是空气温度信号采集读取模块程序。四是光照强度采集读取模块程序；五是数据发送模块程序。

数据信息显示终端软件设计主要分为六大模块。一是数据接收模块程序；二是液晶主界面设置模块程序；三是时间显示模块程序；四是土壤湿度折线界面设置模块程序；五是空气湿度折线界面设置模块程序；六是空气温度折线界面设置模块程序；七是光照强度折线界面设置模块程序。

本方法的用途与优越性：

1、本发明应用范围广，小到可以用在家庭花盆的监测，菜园植物生长状况的监测，大到可以用在温室大棚和农田、森林对植物生长环境因子的监测。

2、电源供电方便灵活，废弃手机的充电插头都可以给它供电，另外还可采用移动电源供电，便于用在没有电线的野外农田甚至森林。

3、系统体积小，重量轻，耗电量低，信号无线传输，属于便携式设备。因此，既可定点测量，也可以车载或人员携带进行移动测量。

4、系统响应快，数据采集间隔在500ms，数据显示随植物生长因子的变化间隔在1秒。所测精度高，范围广，湿度测量范围在10%～90%RH之间,温度测量范围在-55℃～125℃且可精确到小数点第一位，光照强度测量范围在1到65535LX之间且光源依赖性弱抗燥性能强。

5、价格便宜，设备总成本在一百多元。

6、该系统即可以独立使用，也可以与其它设备技术融合，形成更加全面的植物生长因子检测系统。

附图说明：

附图1是整个系统的发送接收模型图；

附图2是数据信息采集终端结构框图；

附图3是数据信息显示终端结构框图；

附图4是数据信息采集终端软件程序流程图；

附图5是数据信息显示终端软件程序流程图。

其中：1、外部电源，采用手机USB充电插头或移动电源， 2、普通USB数据线，3、AMS1117芯片5V输入接口，4、AMS1117芯片，5、AMS1117芯片3.3V输出接口，6、STM32F103C6T6最小系统， 7、土壤湿度传感器模块Y-69， 8、空气湿度传感器模块DHT11 ，9、空气温度传感器模块DS18B20 ，10、光照强度传感器模块BH1750 ，11、LED和蜂鸣器提示模块，12、nRF24L01核心模块，13、nRF24L01模块天线， 14、STM32F103C8T6最小系统， 15、液晶显示器显示控制芯片ILI9325和触摸控制芯片XPT2046的接口， 16、液晶显示器显示屏。

具体实施方式

整个系统的发送接收模型图如图1所示。

本发明的所需结构元件模块：1、外部电源，采用手机USB充电插头或移动电源 2、普通USB数据线3、AMS1117芯片5V输入接口4、AMS1117芯片5、AMS1117芯片3.3V输出接口6、STM32F103C6T6最小系统 7、土壤湿度传感器模块Y-69 8、空气湿度传感器模块DHT11 9、空气温度传感器模块DS18B20 10、光照强度传感器模块BH1750 11、LED和蜂鸣器提示模块 12、nRF24L01核心模块 13、nRF24L01模块天线 14、STM32F103C8T6最小系统 15、液晶显示器显示控制芯片ILI9325和触摸控制芯片XPT2046的接口 16、液晶显示器显示屏

数据信息采集终端电源供电系统采用USB插口供电，外部电源为常用的输出五伏电压的电源设备，可采用智能手机的220V转5V的充电插头或者移动电源1，采用常规的普通USB数据线2把来自外部电源的5V电压通过接口电路接插在电压转换电路模块中AMS1117芯片4电路的输入端3把来自外部电源输出的5V电压转换成3.3V输出电压经输出接口5为系统中的其它模块提供电源。

数据信息采集终端控制核心采用由意法半导体研发的基于ARM-Cortex-M3内核的STM32F103C6T6型号微控制器最小系统6进行数据的处理，发送端程序大小为近20K，至少13个IO口，至少带一个AD转换通道，而此芯片具有32K的flash，10K的RAM，36个IO口，1个IIC总线接口，1个SPI接口，完全满足发送端的要求，其最小系统外部高速时钟接口采用8M的外接晶振为微控制器提供主频为72MHZ的时钟系统。

数据信息采集终端需要四路传感器，其一为土壤湿度传感器，采用YL-69土壤湿度传感器7，用它采集土壤湿度信号；其二为空气湿度传感器，选用DHT11空气温湿度传感器8，但鉴于它采集的湿度比较准确，温度不准确而且范围太小，固只用它采集湿度信号。其三为空气温度传感器，选用DS18B20温度传感器9，它的测量温度范围在-55℃～125℃之间，精度高可精确到小数点位，在工业应用领域非常广。其四为光照强度传感器，选用BH1750光照强度传感器10，用它来采集光强强度信号。

数据信息采集终端的无线数据发送装置，采用nRF24L01无线数据收发核心模块12和一个大发射功率的天线13，数据发送距离可达几千米，在数据采集终端只作为发射装置使用。

数据信息采集终端具有无线模块故障自动报警电路模块11，当系统检测不到无线模块存在时LED灯亮和蜂鸣器自动报警，提示出现故障。

数据信息采集终端结构框图如图2所示。

数据信息显示终端所用电源供电电路和数据信息采集终端完全一样，两个终端的电源供电电路完全兼容。控制核心采用同样基于ARM-Cortex-M3内核的STM32F103C8T6型号微控制器最小系统14，接收端程序大小为近60K，至少32个IO口，此芯片具有64K的flash，20K的RAM，36个IO口，两个SPI接口，满足接收端的要求且不浪费此芯片具有的资源，在最小系统中外部高速时钟接口采用8M的外接晶振为微控制器提供主频为72MHZ的时钟系统，外部低速时钟接口采用32.768KHZ的外接晶振为当前时间日期提供精准的专用的时钟频率，并外接一个纽扣电池作为RTC时钟的专用供电系统以便在显示器上显示精准的时间日期来绘制植物生长因子的变化规律折线图。

数据信息显示终端需要一个具有触摸功能的液晶显示器，以便实时显示当前的测量数据和绘制折线图。液晶显示电路的控制芯片为LIL9325和XPT2046经接口15连接到微控制器上，并采用8080并口控制时序通过微控制器对液晶进行显示控制。

数据信息显示终端的无线数据接收装置，同样采用nRF24L01无线数据收发核心模块12和大发射功率的天线13，但在数据显示终端只作为接收装置使用。

数据信息显示终端结构框图如图3所示。

软件系统设计中数据信息采集终端软件设计主要由五个模块程序组成。一是土壤湿度信号采集转换模块程序，这部分程序通过配置STM32自带的12位分辨率的AD转换电路的ADC1的通道一实现把来自土壤湿度传感器输出的模拟电信号转换为数字信号，STM32内部参考电压源配置成3.3V，由于YL-69土壤湿度传感器7只能把土壤湿度信号转换成模拟电信号，因此在这里还需要规定一个计算公式，在未检测到湿度信号的情况下电阻无穷大，其输出电压接近为3.3V,在检测到土壤湿度信号的情况下其输出电压接近为0V,其输出电压和土壤湿度变化近似为线性，在本模块的程序设计中需要用本计算公式：X=(4095-Y)/4095，其中Y是经过AD转换电路得到的土壤湿度数字信号值土壤湿度越大Y的值越小，X是经转换后的土壤湿度实际值。二是空气湿度信号采集读取模块程序，由于DHT11温湿度传感器8是单总线数据访问，在程序设计中按照它的时序读取数据，但只需保存湿度数据值即可。三是DS18B20空气温度传感器9温度信号采集读取模块程序，它也是单总线数据访问，在程序设计中按照它的时序读取温度数据。四是BH1750光照强度传感器10光照强度信号采集读取模块程序，它是一种两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，在程序设计中采用STM32自带的IIC总线接口来控制BH1750传感器10，读取它所测得数据。五是数据发送模块程序，它通过控制无线收发模块12，把它配置成发送模式，把采集到的数据经天线13每隔半秒时间发送出去。

数据信息采集终端软件程序流程图如图4所示。

数据信息显示终端软件设计主要分为六大模块。一是数据接收模块程序，把无线收发模块12配置成接收模式，天线13接收到数据后，把接收到的数据经过微控制器处理后保存起来。二是液晶主界面设置模块程序，它通过把接收到的数据在液晶显示屏16上实时显示出来，并设定各功能的折线界面切换触摸按钮。三是时间显示模块程序，它结合数据接收程序把接收到的数据保存在各个对应的时间点上。四是土壤湿度折线界面设置模块程序，它根据时间点经主界面切换触摸按钮跳转到土壤湿度折线界面上，把保存的土壤湿度数据自动绘制一条折线图方便用户查看。五是空气湿度折线界面设置模块程序，它根据时间点经主界面切换触摸按钮跳转到空气湿度折线界面上，把保存的空气湿度数据自动绘制一条折线图方便用户查看。六是空气温度折线界面设置模块程序，它根据时间点经主界面切换触摸按钮跳转到空气温度折线界面上，把保存的空气温度数据自动绘制一条折线图方便用户查看。七是光照强度折线界面设置模块程序，它根据时间点经主界面切换触摸按钮跳转到光照强度折线界面上，把保存的光照强度数据自动绘制一条折线图方便用户查看。

数据信息显示终端软件程序流程图如图5所示。