本實(shí)用新型屬于農(nóng)業(yè)科技應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于STM32的植物生長(zhǎng)因子無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，大部分地區(qū)的氣候條件各有差異，特別是在一些環(huán)境惡劣山區(qū)，干旱少雨，土質(zhì)貧瘠，這些劣勢(shì)都嚴(yán)重制約了作物的產(chǎn)量，影響了農(nóng)民的收入水平。另外社會(huì)在不斷發(fā)展，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人也越來(lái)越少，而社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的需求卻越來(lái)越大，對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)行升級(jí)改造，將日新月異的科學(xué)技術(shù)融入到實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫在眉睫，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者創(chuàng)造切實(shí)可行的科技產(chǎn)品并應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，把前沿的科技普遍化、推廣化，才能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收。目前世界各國(guó)都在大力發(fā)展溫室技術(shù)，一些國(guó)家甚至實(shí)現(xiàn)了溫室技術(shù)的自動(dòng)化和無(wú)人化，我國(guó)在溫室技術(shù)方面起步較晚，在相應(yīng)的配套設(shè)施和技術(shù)設(shè)備上還比較匱乏，而在溫室技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是對(duì)植物生長(zhǎng)因子中土壤濕度、空氣溫濕度和光照度的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控。摸清植物的生長(zhǎng)規(guī)律，知道植物的生長(zhǎng)因子，根據(jù)植物的生長(zhǎng)條件去改變外部生長(zhǎng)環(huán)境那么在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就能達(dá)到產(chǎn)量最大化的效益了。針對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，如果能設(shè)計(jì)一種便攜實(shí)用的關(guān)于植物生長(zhǎng)因子的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，那么在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就可以對(duì)植物的生長(zhǎng)條件達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)其生長(zhǎng)狀況的目的了。本實(shí)用新型就是依據(jù)這么一個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)了這么一套系統(tǒng)，能夠?qū)ν寥罎穸取⒖諝鉂穸?、空氣溫度和光照?qiáng)度實(shí)時(shí)采集和無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)不受時(shí)空地域限制能夠?qū)χ参锷L(zhǎng)因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得數(shù)據(jù)的精確度和效率都大大提高。雖然目前市場(chǎng)上有相似的產(chǎn)品，但價(jià)格不菲，對(duì)本來(lái)收入微薄的農(nóng)民工兄弟來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的開(kāi)支。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的，是要在數(shù)據(jù)信息采集終端實(shí)時(shí)采集植物的生長(zhǎng)狀況因子包括光照強(qiáng)度、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度，通過(guò)無(wú)線通信傳輸裝置發(fā)送給數(shù)據(jù)信息顯示終端來(lái)數(shù)字顯示并保存數(shù)據(jù)，同時(shí)自動(dòng)繪制一條近六個(gè)小時(shí)各因子的折線圖方便用戶查看變化趨勢(shì)。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下系統(tǒng)方案：

本實(shí)用新型由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

硬件系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成，其一是植物生長(zhǎng)因子的數(shù)據(jù)信息采集終端，其二是植物生長(zhǎng)因子的數(shù)據(jù)信息顯示終端，其三是電源供電系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)信息采集終端主要包括各路傳感器、STM32F103C6T6微控制器、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射裝置、天線未插時(shí)的LED和蜂鳴器聲光提醒電路和外接高速晶振電路等。

數(shù)據(jù)信息顯示終端主要包括液晶觸摸顯示器、STM32F103C8T6微控制器和無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置等。

電源供電系統(tǒng)采用USB線供電,可使用手機(jī)USB充電插頭或移動(dòng)電源提供5V電源，內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換電路把5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，為數(shù)據(jù)信息采集終端和數(shù)據(jù)信息顯示終端供電。

軟件系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，其一是數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)，其二是數(shù)據(jù)顯示終端軟件設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)信息采集終端軟件設(shè)計(jì)主要由五個(gè)模塊程序組成。一是土壤濕度信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊程序；二是空氣濕度信號(hào)采集讀取模塊程序；三是空氣溫度信號(hào)采集讀取模塊程序。四是光照強(qiáng)度采集讀取模塊程序；五是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序。

數(shù)據(jù)信息顯示終端軟件設(shè)計(jì)主要分為六大模塊。一是數(shù)據(jù)接收模塊程序；二是液晶主界面設(shè)置模塊程序；三是時(shí)間顯示模塊程序；四是土壤濕度折線界面設(shè)置模塊程序；五是空氣濕度折線界面設(shè)置模塊程序；六是空氣溫度折線界面設(shè)置模塊程序；七是光照強(qiáng)度折線界面設(shè)置模塊程序。

本方法的用途與優(yōu)越性：

1、本實(shí)用新型應(yīng)用范圍廣，小到可以用在家庭花盆的監(jiān)測(cè)，菜園植物生長(zhǎng)狀況的監(jiān)測(cè)，大到可以用在溫室大棚和農(nóng)田、森林對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)。

2、電源供電方便靈活，廢棄手機(jī)的充電插頭都可以給它供電，另外還可采用移動(dòng)電源供電，便于用在沒(méi)有電線的野外農(nóng)田甚至森林。

3、系統(tǒng)體積小，重量輕，耗電量低，信號(hào)無(wú)線傳輸，屬于便攜式設(shè)備。因此，既可定點(diǎn)測(cè)量，也可以車載或人員攜帶進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量。

4、系統(tǒng)響應(yīng)快，數(shù)據(jù)采集間隔在500ms，數(shù)據(jù)顯示隨植物生長(zhǎng)因子的變化間隔在1秒。所測(cè)精度高，范圍廣，濕度測(cè)量范圍在10%～90%RH之間,溫度測(cè)量范圍在-55℃～125℃且可精確到小數(shù)點(diǎn)第一位，光照強(qiáng)度測(cè)量范圍在1到65535LX之間且光源依賴性弱抗燥性能強(qiáng)。

5、價(jià)格便宜，設(shè)備總成本在一百多元。

6、該系統(tǒng)即可以獨(dú)立使用，也可以與其它設(shè)備技術(shù)融合，形成更加全面的植物生長(zhǎng)因子檢測(cè)系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明：

附圖1是整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)送接收模型圖；

附圖2是數(shù)據(jù)信息采集終端結(jié)構(gòu)框圖；

附圖3是數(shù)據(jù)信息顯示終端結(jié)構(gòu)框圖；

附圖4是數(shù)據(jù)信息采集終端軟件程序流程圖；

附圖5是數(shù)據(jù)信息顯示終端軟件程序流程圖。

其中：1、外部電源，采用手機(jī)USB充電插頭或移動(dòng)電源， 2、普通USB數(shù)據(jù)線，3、AMS1117芯片5V輸入接口，4、AMS1117芯片，5、AMS1117芯片3.3V輸出接口，6、STM32F103C6T6最小系統(tǒng)， 7、土壤濕度傳感器模塊Y-69， 8、空氣濕度傳感器模塊DHT11 ，9、空氣溫度傳感器模塊DS18B20 ，10、光照強(qiáng)度傳感器模塊BH1750 ，11、LED和蜂鳴器提示模塊 ，12、nRF24L01核心模塊 ，13、nRF24L01模塊天線， 14、STM32F103C8T6最小系統(tǒng)， 15、液晶顯示器顯示控制芯片ILI9325和觸摸控制芯片XPT2046的接口， 16、液晶顯示器顯示屏。

具體實(shí)施方式

整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)送接收模型圖如圖一所示。

本實(shí)用新型的所需結(jié)構(gòu)元件模塊：1、外部電源，采用手機(jī)USB充電插頭或移動(dòng)電源 2、普通USB數(shù)據(jù)線3、AMS1117芯片5V輸入接口4、AMS1117芯片5、AMS1117芯片3.3V輸出接口6、STM32F103C6T6最小系統(tǒng) 7、土壤濕度傳感器模塊Y-69 8、空氣濕度傳感器模塊DHT11 9、空氣溫度傳感器模塊DS18B20 10、光照強(qiáng)度傳感器模塊BH1750 11、LED和蜂鳴器提示模塊 12、nRF24L01核心模塊 13、nRF24L01模塊天線 14、STM32F103C8T6最小系統(tǒng) 15、液晶顯示器顯示控制芯片ILI9325和觸摸控制芯片XPT2046的接口 16、液晶顯示器顯示屏

數(shù)據(jù)信息采集終端電源供電系統(tǒng)采用USB插口供電，外部電源為常用的輸出五伏電壓的電源設(shè)備，可采用智能手機(jī)的220V轉(zhuǎn)5V的充電插頭或者移動(dòng)電源1，采用常規(guī)的普通USB數(shù)據(jù)線2把來(lái)自外部電源的5V電壓通過(guò)接口電路接插在電壓轉(zhuǎn)換電路模塊中AMS1117芯片4電路的輸入端3把來(lái)自外部電源輸出的5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V輸出電壓經(jīng)輸出接口5為系統(tǒng)中的其它模塊提供電源。

數(shù)據(jù)信息采集終端控制核心采用由意法半導(dǎo)體研發(fā)的基于ARM-Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C6T6型號(hào)微控制器最小系統(tǒng)6進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，發(fā)送端程序大小為近20K，至少13個(gè)IO口，至少帶一個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道，而此芯片具有32K的flash，10K的RAM，36個(gè)IO口，1個(gè)IIC總線接口，1個(gè)SPI接口，完全滿足發(fā)送端的要求，其最小系統(tǒng)外部高速時(shí)鐘接口采用8M的外接晶振為微控制器提供主頻為72MHZ的時(shí)鐘系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)信息采集終端需要四路傳感器，其一為土壤濕度傳感器，采用YL-69土壤濕度傳感器7，用它采集土壤濕度信號(hào)；其二為空氣濕度傳感器，選用DHT11空氣溫濕度傳感器8，但鑒于它采集的濕度比較準(zhǔn)確，溫度不準(zhǔn)確而且范圍太小，固只用它采集濕度信號(hào)。其三為空氣溫度傳感器，選用DS18B20溫度傳感器9，它的測(cè)量溫度范圍在-55℃～125℃之間，精度高可精確到小數(shù)點(diǎn)位，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣。其四為光照強(qiáng)度傳感器，選用BH1750光照強(qiáng)度傳感器10，用它來(lái)采集光強(qiáng)強(qiáng)度信號(hào)。

數(shù)據(jù)信息采集終端的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，采用nRF24L01無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)核心模塊12和一個(gè)大發(fā)射功率的天線13，數(shù)據(jù)發(fā)送距離可達(dá)幾千米，在數(shù)據(jù)采集終端只作為發(fā)射裝置使用。

數(shù)據(jù)信息采集終端具有無(wú)線模塊故障自動(dòng)報(bào)警電路模塊11，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)不到無(wú)線模塊存在時(shí)LED燈亮和蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警，提示出現(xiàn)故障。

數(shù)據(jù)信息采集終端結(jié)構(gòu)框圖如圖二所示。

數(shù)據(jù)信息顯示終端所用電源供電電路和數(shù)據(jù)信息采集終端完全一樣，兩個(gè)終端的電源供電電路完全兼容。控制核心采用同樣基于ARM-Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6型號(hào)微控制器最小系統(tǒng)14，接收端程序大小為近60K，至少32個(gè)IO口，此芯片具有64K的flash，20K的RAM，36個(gè)IO口，兩個(gè)SPI接口，滿足接收端的要求且不浪費(fèi)此芯片具有的資源，在最小系統(tǒng)中外部高速時(shí)鐘接口采用8M的外接晶振為微控制器提供主頻為72MHZ的時(shí)鐘系統(tǒng)，外部低速時(shí)鐘接口采用32.768KHZ的外接晶振為當(dāng)前時(shí)間日期提供精準(zhǔn)的專用的時(shí)鐘頻率，并外接一個(gè)紐扣電池作為RTC時(shí)鐘的專用供電系統(tǒng)以便在顯示器上顯示精準(zhǔn)的時(shí)間日期來(lái)繪制植物生長(zhǎng)因子的變化規(guī)律折線圖。

數(shù)據(jù)信息顯示終端需要一個(gè)具有觸摸功能的液晶顯示器，以便實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的測(cè)量數(shù)據(jù)和繪制折線圖。液晶顯示電路的控制芯片為L(zhǎng)IL9325和XPT2046經(jīng)接口15連接到微控制器上，并采用8080并口控制時(shí)序通過(guò)微控制器對(duì)液晶進(jìn)行顯示控制。

數(shù)據(jù)信息顯示終端的無(wú)線數(shù)據(jù)接收裝置，同樣采用nRF24L01無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)核心模塊12和大發(fā)射功率的天線13，但在數(shù)據(jù)顯示終端只作為接收裝置使用。

數(shù)據(jù)信息顯示終端結(jié)構(gòu)框圖如圖三所示。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)信息采集終端軟件設(shè)計(jì)主要由五個(gè)模塊程序組成。一是土壤濕度信號(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊程序，這部分程序通過(guò)配置STM32自帶的12位分辨率的AD轉(zhuǎn)換電路的ADC1的通道一實(shí)現(xiàn)把來(lái)自土壤濕度傳感器輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，STM32內(nèi)部參考電壓源配置成3.3V，由于YL-69土壤濕度傳感器7只能把土壤濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，因此在這里還需要規(guī)定一個(gè)計(jì)算公式，在未檢測(cè)到濕度信號(hào)的情況下電阻無(wú)窮大，其輸出電壓接近為3.3V,在檢測(cè)到土壤濕度信號(hào)的情況下其輸出電壓接近為0V,其輸出電壓和土壤濕度變化近似為線性，在本模塊的程序設(shè)計(jì)中需要用本計(jì)算公式：X=(4095-Y)/4095，其中Y是經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路得到的土壤濕度數(shù)字信號(hào)值土壤濕度越大Y的值越小，X是經(jīng)轉(zhuǎn)換后的土壤濕度實(shí)際值。二是空氣濕度信號(hào)采集讀取模塊程序，由于DHT11溫濕度傳感器8是單總線數(shù)據(jù)訪問(wèn)，在程序設(shè)計(jì)中按照它的時(shí)序讀取數(shù)據(jù)，但只需保存濕度數(shù)據(jù)值即可。三是DS18B20空氣溫度傳感器9溫度信號(hào)采集讀取模塊程序，它也是單總線數(shù)據(jù)訪問(wèn)，在程序設(shè)計(jì)中按照它的時(shí)序讀取溫度數(shù)據(jù)。四是BH1750光照強(qiáng)度傳感器10光照強(qiáng)度信號(hào)采集讀取模塊程序，它是一種兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，在程序設(shè)計(jì)中采用STM32自帶的IIC總線接口來(lái)控制BH1750傳感器10，讀取它所測(cè)得數(shù)據(jù)。五是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序，它通過(guò)控制無(wú)線收發(fā)模塊12，把它配置成發(fā)送模式，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)天線13每隔半秒時(shí)間發(fā)送出去。

數(shù)據(jù)信息采集終端軟件程序流程圖如圖四所示。

數(shù)據(jù)信息顯示終端軟件設(shè)計(jì)主要分為六大模塊。一是數(shù)據(jù)接收模塊程序，把無(wú)線收發(fā)模塊12配置成接收模式，天線13接收到數(shù)據(jù)后，把接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微控制器處理后保存起來(lái)。二是液晶主界面設(shè)置模塊程序，它通過(guò)把接收到的數(shù)據(jù)在液晶顯示屏16上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并設(shè)定各功能的折線界面切換觸摸按鈕。三是時(shí)間顯示模塊程序，它結(jié)合數(shù)據(jù)接收程序把接收到的數(shù)據(jù)保存在各個(gè)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)上。四是土壤濕度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時(shí)間點(diǎn)經(jīng)主界面切換觸摸按鈕跳轉(zhuǎn)到土壤濕度折線界面上，把保存的土壤濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制一條折線圖方便用戶查看。五是空氣濕度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時(shí)間點(diǎn)經(jīng)主界面切換觸摸按鈕跳轉(zhuǎn)到空氣濕度折線界面上，把保存的空氣濕度數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制一條折線圖方便用戶查看。六是空氣溫度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時(shí)間點(diǎn)經(jīng)主界面切換觸摸按鈕跳轉(zhuǎn)到空氣溫度折線界面上，把保存的空氣溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制一條折線圖方便用戶查看。七是光照強(qiáng)度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時(shí)間點(diǎn)經(jīng)主界面切換觸摸按鈕跳轉(zhuǎn)到光照強(qiáng)度折線界面上，把保存的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制一條折線圖方便用戶查看。

數(shù)據(jù)信息顯示終端軟件程序流程圖如圖五所示。