本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)科技應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于STM32的植物生長因子無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，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。另外社會在不斷發(fā)展，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人也越來越少，而社會對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的需求卻越來越大，對農(nóng)業(yè)技術(shù)進行升級改造，將日新月異的科學(xué)技術(shù)融入到實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中迫在眉睫，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者創(chuàng)造切實可行的科技產(chǎn)品并應(yīng)用到實踐當(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。目前世界各國都在大力發(fā)展溫室技術(shù)，一些國家甚至實現(xiàn)了溫室技術(shù)的自動化和無人化，我國在溫室技術(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)中的一個重要環(huán)節(jié)就是對植物生長因子中土壤濕度、空氣溫濕度和光照度的實時采集和監(jiān)控。摸清植物的生長規(guī)律，知道植物的生長因子，根據(jù)植物的生長條件去改變外部生長環(huán)境那么在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就能達到產(chǎn)量最大化的效益了。針對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，如果能設(shè)計一種便攜實用的關(guān)于植物生長因子的智能監(jiān)測系統(tǒng)，那么在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中就可以對植物的生長條件達到實時檢測其生長狀況的目的了。本發(fā)明就是依據(jù)這個問題設(shè)計了這么一套系統(tǒng)，能夠?qū)ν寥罎穸?、空氣濕度、空氣溫度和光照強度實時采集和無線遠程監(jiān)測。該系統(tǒng)不受時空地域限制能夠?qū)χ参锷L因子進行實時監(jiān)測，獲得數(shù)據(jù)的精確度和效率都大大提高。雖然目前市場上有相似的產(chǎn)品，但價格不菲，對本來收入微薄的農(nóng)民工兄弟來說是一個不小的開支。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是要在數(shù)據(jù)信息采集終端實時采集植物的生長狀況因子包括光照強度、土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度，通過無線通信傳輸裝置發(fā)送給數(shù)據(jù)信息顯示終端來數(shù)字顯示并保存數(shù)據(jù)，同時自動繪制一條近六個小時各因子的折線圖方便用戶查看變化趨勢。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下系統(tǒng)方案：

本發(fā)明由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

硬件系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成，其一是植物生長因子的數(shù)據(jù)信息采集終端，其二是植物生長因子的數(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、無線數(shù)據(jù)發(fā)射裝置、天線未插時的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USB充電插頭或移動電源提供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，其二是數(shù)據(jù)顯示終端軟件設(shè)計。

數(shù)據(jù)信息采集終端軟件設(shè)計主要由五個模塊程序組成。一是土壤濕度信號采集轉(zhuǎn)換模塊程序；二是空氣濕度信號采集讀取模塊程序；三是空氣溫度信號采集讀取模塊程序。四是光照強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、本發(fā)明應(yīng)用范圍廣，小到可以用在家庭花盆的監(jiān)測，菜園植物生長狀況的監(jiān)測，大到可以用在溫室大棚和農(nóng)田、森林對植物生長環(huán)境因子的監(jiān)測。

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

3、系統(tǒng)體積小，重量輕，耗電量低，信號無線傳輸，屬于便攜式設(shè)備。因此，既可定點測量，也可以車載或人員攜帶進行移動測量。

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

5、價格便宜，設(shè)備總成本在一百多元。

6、該系統(tǒng)即可以獨立使用，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因子檢測系統(tǒng)。

附圖說明：

附圖1是整個系統(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USB充電插頭或移動電源， 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。

具體實施方式

整個系統(tǒng)的發(fā)送接收模型圖如圖1所示。

本發(fā)明的所需結(jié)構(gòu)元件模塊：1、外部電源，采用手機USB充電插頭或移動電源 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，可采用智能手機的220V轉(zhuǎn)5V的充電插頭或者移動電源1，采用常規(guī)的普通USB數(shù)據(jù)線2把來自外部電源的5V電壓通過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型號微控制器最小系統(tǒng)6進行數(shù)據(jù)的處理，發(fā)送端程序大小為近20K，至少13個IO口，至少帶一個AD轉(zhuǎn)換通道，而此芯片具有32K的flash，10K的RAM，36個IO口，1個IIC總線接口，1個SPI接口，完全滿足發(fā)送端的要求，其最小系統(tǒng)外部高速時鐘接口采用8M的外接晶振為微控制器提供主頻為72MHZ的時鐘系統(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；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。其三為空氣溫度傳感器，選用DS18B20溫度傳感器9，它的測量溫度范圍在-55℃～125℃之間，精度高可精確到小數(shù)點位，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣。其四為光照強度傳感器，選用BH1750光照強度傳感器10，用它來采集光強強度信號。

數(shù)據(jù)信息采集終端的無線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，采用nRF24L01無線數(shù)據(jù)收發(fā)核心模塊12和一個大發(fā)射功率的天線13，數(shù)據(jù)發(fā)送距離可達幾千米，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線模塊故障自動報警電路模塊11，當(dāng)系統(tǒng)檢測不到無線模塊存在時LED燈亮和蜂鳴器自動報警，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2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型號微控制器最小系統(tǒng)14，接收端程序大小為近60K，至少32個IO口，此芯片具有64K的flash，20K的RAM，36個IO口，兩個SPI接口，滿足接收端的要求且不浪費此芯片具有的資源，在最小系統(tǒng)中外部高速時鐘接口采用8M的外接晶振為微控制器提供主頻為72MHZ的時鐘系統(tǒng)，外部低速時鐘接口采用32.768KHZ的外接晶振為當(dāng)前時間日期提供精準(zhǔn)的專用的時鐘頻率，并外接一個紐扣電池作為RTC時鐘的專用供電系統(tǒng)以便在顯示器上顯示精準(zhǔn)的時間日期來繪制植物生長因子的變化規(guī)律折線圖。

數(shù)據(jù)信息顯示終端需要一個具有觸摸功能的液晶顯示器，以便實時顯示當(dāng)前的測量數(shù)據(jù)和繪制折線圖。液晶顯示電路的控制芯片為LIL9325和XPT2046經(jīng)接口15連接到微控制器上，并采用8080并口控制時序通過微控制器對液晶進行顯示控制。

數(shù)據(jù)信息顯示終端的無線數(shù)據(jù)接收裝置，同樣采用nRF24L01無線數(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3所示。

軟件系統(tǒng)設(shè)計中數(shù)據(jù)信息采集終端軟件設(shè)計主要由五個模塊程序組成。一是土壤濕度信號采集轉(zhuǎn)換模塊程序，這部分程序通過配置STM32自帶的12位分辨率的AD轉(zhuǎn)換電路的ADC1的通道一實現(xiàn)把來自土壤濕度傳感器輸出的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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轉(zhuǎn)換成模擬電信號，因此在這里還需要規(guī)定一個計算公式，在未檢測到濕度信號的情況下電阻無窮大，其輸出電壓接近為3.3V,在檢測到土壤濕度信號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)計中需要用本計算公式：X=(4095-Y)/4095，其中Y是經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路得到的土壤濕度數(shù)字信號值土壤濕度越大Y的值越小，X是經(jīng)轉(zhuǎn)換后的土壤濕度實際值。二是空氣濕度信號采集讀取模塊程序，由于DHT11溫濕度傳感器8是單總線數(shù)據(jù)訪問，在程序設(shè)計中按照它的時序讀取數(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溫度信號采集讀取模塊程序，它也是單總線數(shù)據(jù)訪問，在程序設(shè)計中按照它的時序讀取溫度數(shù)據(jù)。四是BH1750光照強度傳感器10光照強度信號采集讀取模塊程序，它是一種兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，在程序設(shè)計中采用STM32自帶的IIC總線接口來控制BH1750傳感器10，讀取它所測得數(shù)據(jù)。五是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊程序，它通過控制無線收發(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4所示。

數(shù)據(jù)信息顯示終端軟件設(shè)計主要分為六大模塊。一是數(shù)據(jù)接收模塊程序，把無線收發(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)過微控制器處理后保存起來。二是液晶主界面設(shè)置模塊程序，它通過把接收到的數(shù)據(jù)在液晶顯示屏16上實時顯示出來，并設(shè)定各功能的折線界面切換觸摸按鈕。三是時間顯示模塊程序，它結(jié)合數(shù)據(jù)接收程序把接收到的數(shù)據(jù)保存在各個對應(yīng)的時間點上。四是土壤濕度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時間點經(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)時間點經(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)時間點經(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)自動繪制一條折線圖方便用戶查看。七是光照強度折線界面設(shè)置模塊程序，它根據(jù)時間點經(jīng)主界面切換觸摸按鈕跳轉(zhuǎn)到光照強度折線界面上，把保存的光照強度數(shù)據(jù)自動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5所示。