基于STM32F103ZET6的温室大棚多点光照采集系统

严凯 姚凯学 韦付芝 何勇 杨玥倩 陈春旭

摘要：当今世界精准农业迅速发展，农业技术更加智能化。用现代科技来改变温室大棚农作物的生长环境，提高农作物产量成为一种趋势。光照是农作物生成养分的必要条件和关键因素，因此本文设计了一种温室大棚内多点光照自动采集系统。系统以STM32F103ZET6为核心的数据处理模块，以STC15W404AS和BH1750为光照数据采集模块，用RS-485驱动器和接收器进行数据传输。通过自定义的通信协议将光照传感器采集模块、数据处理模块、远程PC端和手机端有机地结合在一起，系統目前已经投入使用。

关键词：温室大棚;STM32F103ZET6; STC15W404AS;RS485;通信协议;中位值平均滤波法

中图分类号：TP273

文献标识码：A

1 引言

光照是植物生长发育的关键资源之一，影响着植物的生理生化和形态结构。比如不同光照强度影响着兴安落叶松针叶内的POD、SOD、PAL、PPO和CI等防御蛋白的活力[1];不同光照强度影响着花榈木叶片面积、苗高、地径生长、生物量和根冠比[2];不同光照强度和光质影响着水稻的生长周期、成熟时间和产量[3-4]。为此，本文建立了安全可靠的温室大棚多点光照采集系统，前端数据采集站采集温室大棚内多点（种植不同的植物）的光照，通过GPRS将数据传输到后台，供农户参考，由于整个系统是由太阳能电源进行供电，因此可以支持比较偏僻的温室大棚基地。当温室大棚某片区域光照低于所种植作物最适宜光照的时候，我们可以进行人工补光（多补光灯组合）;反之，则进行遮阴（遮阴网）。

2 系统总体设计

系统总体设计（如图l所示）主要由三部分组成：以STM32F103ZET6为核心的数据处理模块、集成了STC15W404AS和BH1750的光照传感器采集模块、远程PC端和手机端。

系统工作流程：光照传感器采集模块将采集来的多个光照数据封装成一帧通过RS485总线传输到数据处理模块，STM32F103ZET6对这些帧进行解析，按照帧的控制域代码不同等特征，解析出该帧的正误、数据域及其功能，并将数据重新封装成帧通过GPRS（串口1）和蓝牙（串口2）分别发送到PC端和手机端，进行可视化显示和后台数据分析。

3 温室大棚硬件设计

系统硬件主要包括两部分：光照传感器模块的硬件设计、数据处理模块的硬件设计。

3.1 光照传感器模块的硬件设计

STC15W404AS基于8051内核，有一组高速异步串行通信端口（UARD，可以在三组管脚之间切换，相当于三组串行通信接口[5]。光照传感器模块使用单片机的串口3 （IIC总线）接收BH1750采集的光强度初始值，串口l用作下载和仿真，串口2通过RS485总线将封装好的数据帧发送给数据处理模块。由于一个温室大棚的面积比较大（600平方米），所以整个温室大棚采用通讯接口RS485，它允许在一对双绞线上进行双向、多点通信，具有宽共模电压、高传输速率、较长传输距离、低噪声耦合等特点[6]。系统采用RS485作为收发器，以MAX485CSA芯片的A、B引脚作为485总线接口，和DE引脚控制RS485的收发使能。光照传感器模块的电路原理图、硬件电路结构框图和光照传感器模块实体如图2、3、4所示。

3.2 数据处理模块的硬件设计

数据处理模块采用基于Corex -M3内核的STM32F103ZET6 MCU，它的最高工作频率为72MHZ，SRAM可达64KB，有5个串口、4个通用定时器、2个I2C、3个ADC （12位）、3个SPI、2个DMA控制器等资源[7-9]。

数据处理模块作为温室大棚的核心，实现了温室大棚多点光照传感器节点与PC端和移动端的通信。STM32F103ZET6通过串口1（引脚PA9和PA10）与GPRS连接，通过串口2（引脚PA2和PA3）与蓝牙连接，通过SPI接口与wifi模块连接[10]，（引脚PD2和PC12）经过MAX485芯片进而控制各点光照数据的收发，直接通过相应引脚的电平的调节控制I2C传感器数据的收发[11]。其模块的电路原理图、硬件电路结构框图和模块实体（由于光照节点分散在大棚各个地方，考虑到图片大小的限制和拍摄方便，特将整个下位机集中在一起进行拍摄）如图5、6、7所示。

具体工作流程：光照转接板连接的各地光照传感器模块采集温室大棚的光照反馈给STM32F103ZET6 MCU，MCU经过分析处理后通过自定义的通信协议将多个光照数据组装成一帧数据，数据可由GPRS传输到上位机（PC端），PC端进行数据处理、可视化显示和预警报警（界面弹框的形式）;也可以由蓝牙传输到移动端（手机端），提供数据给工作人员进行参考补光、遮阴和现场维护。

4 温室大棚软件设计

温室大棚软件设计分为两部分：上位机设计、下位机设计。下位机设计包括光照传感器模块通信程序设计、数据处理模块通信程序设计;上位机实现人机交互，可以向下位机发送命令（休眠命令、唤醒命令、配制光照传感器命令、数据读取命令、校时命令等），实现对下位机的控制。

4.1 下位机软件设计

4.1.1 光照传感器模块通信程序设计

当系统进入工作状态（非休眠状态），光照传感器模块上电，进行初始化，响应数据处理模块发送来的的命令帧，有五种命令，分别为读取和写入光照传感器地址、读取和写入光照传感器修正值、读取光照传感器实时数据。其设计流程图如图8所示。

数据处理模块作为主设备，负责发送命令，光照传感器模块作为从设备，负责执行命令并向数据处理模块返回应答帧。通信协议举例如下： 读取光照传感器地址（1—255）

接收：00 20 CRCH CRCL（4字节）

发送：00 20 ADDRESS CRCL CRCH（5字节） 写入光照传感器地址

接收：00 10 ADDRESS CRCH CRCL（5字节）

发送：00 10 CRCL CRCH（4字节） 读取光照传感器实时数据

接收：ADDRESS 03 00 00 00 01 CRCH CRCL（8字节）

发送：ADDRESS 03 04 XX XX XX XX CRCLCRCH（9字节） 写入光照传感器修正值（a、b）

接收：ADDRESS 30 YY YY ZZ ZZ ZZ ZZCRCH CRCL （10字節）

发送：ADDRESS 30 CRCL CRCH（4字节） 读取光照传感器修正值（a、b）

接收：ADDRESS 40 CRCH CRCL（4字节）

发送：ADDRESS 40 YY YY ZZ ZZ ZZ ZZ CR-CL CRCH（10字节）

其中，“CRCL、CRCH”分别为校验码CRC的低八位和高八位，CRC校验码由代码自动生成。“AD-DRESS”为写入温室大棚各地方光照传感器模块的EEPROM里的光照传感器的地址（1—225）。“XXXX XX XX”为光照值（单位为lux，贵阳地区晴天正午光照值为几十万lux）。“YY YY”为修正值a，值为实际值的一百倍。“ZZ ZZ ZZ ZZ”为修正值b，值为实际值

4.1.2 数据处理模块通信程序设计

数据处理模块是温室大棚多点光照采集系统的核心，上电后进行相关初始化，读取EEPROM存储的参数数据，接着等待上位机（PC端或手机端）的命令，MCU分时采集光照传感器的数据，当采集时间达到2分钟且采集次数为12次（非休眠）时，MCU将执行中位值平均滤波法，按大小排序好第i（某个温室大棚第i个光照传感器模块）个光照传感器模块的12个数据，去掉最大值和最小值，然后计算余下10个数据的算数平均值。最后将光照传感器、电量等数据封装成帧，经串口1，由GPRS将数据传输到上位机（PC端）。设计流程图如图9。

数据部分模型为：

数据部分=1号光照地址+1号数值（最小值，最大值，均值，总量值）+2号光照地址+2号数值（最小值，最大值，均值，总量值）+……+n号光照地址+n号数值（最小值，最大值，均值，总量值）+电池剩余电量百分比（1个字节）+时间（年月日时分秒）+持续时间（分钟，1个字节）

如果在两分钟之内等到上位机的命令（十几种且可自定义的命令），数据处理模块将作出相应的处理。

上位机作为主设备，负责发送命令，数据处理模块作为从设备，负责执行命令并向上位机返回应答帧。数据帧是由帧起始符（1字节）、地址域（2字节）、控制域（2字节）、数据长度域（2字节）、数据域（若干字节）、帧校验域（2字节）、帧尾组成。其中控制域中的功能码如表1所示。

其中，有些功能有发送码和接受码（前一行为发送码，后一行为接受码）。“帧起始符”标识一帧信息的开始，1个字节，其值固定为E8H=lllOlOOOB。“帧结束符”标识一帧信息的结束，1个字节，其值固定为E6H=lllOOlOOB。传感器数值说明：共有4个数值，每个数值为整型数（32位，有正负），如果光照传感器错误，传来的数据是7F FF FF FF，但是也是小端模式，顺序是FF FF FF 7F。此数值除以100即为光照传感器实际数值，电量不用除以100（01：最小值;02：最大值;03：均值;04：总量值）。

4.2 上位机软件设计

上位机所用编程语言为C#，数据库为SQL？Server？2013？。数据采集站将温室大棚光照数据通过GPRS发送到上位机（PC端），PC端数据分析软件提取数据库中自定义的光照参数（根据植物设置每片区域光照适宜值区间），将其与接收的数据对比，如果大棚某片区域光照值长时间低于适宜光照值最小值，则弹出弹框提醒工作人员进行补光;若长时间高于光照值最大值，则弹出弹框提醒工作人员进行遮阴;并将采集的光照数据以数字和折线图的方式显示，供大棚工作人员分析对比数据;同时将数据存储到数据库中。图10为上位机数据分析软件的界面（光照数据采集的时间地点为2017年7月12日贵州大学农学院植物研究实验基地）。

5 结束语

设计并实现了温室大棚多点光照采集系统，采用上下位机结构，通过自定义的通信协议将光照传感器模块、数据处理模块、远程PC端和手机端有机地结合在一起。系统稳定性高、扩充能力强、成本低。通过该系统，工作人员可以在数据处理中心对各温室大棚进行远程监测。系统目前已经投入使用，在贵州大学农学院植物研究实验基地、清镇市蔬菜园等地正常运行一年多。

参考文献

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