基于STM32和QT平台的农业大棚远程监控系统设计_袁琛.pdf

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute of Technology（Natural Sciences）第 37 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.37 No.2Mar.,2023基于 STM32 和 QT平台的农业大棚远程监控系统设计 袁 琛，陈 飞，谢 启，曹俊杰，李啸帆（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500）摘要：为提高农业大棚种植效率、减少管理成本，设计了远程监控系统，用于对温湿度、光照强度、土壤电导率和盐度等农作物生长环境参数进行监控 本地端以 STM32 单片机为核心，使用Modbus-RTU 协议对大棚内部环境参数进行采集，根据传感器返回的数据以一定决策通过控制继电器的方式使大棚内部的环境参数维持在适合农作物生长的范围内，同时系统可实现自动/手动切换控制 以RGB 触摸屏为交互界面，使用ESP8266 与远端（PC 机）进行通信 远端使用QT 开发平台实现对大棚内部环境参数的远程监视 经过软硬件测试，系统具有安全、稳定、低成本等优点，可以保证大棚内部的环境维持在适合作物生长的水平关键词：STM32；农业大棚；Modbus-RTU；环境监控；远程监控中图分类号：TP23 文献标志码：A 文章编号：1008-2794（2023）02-0026-07收稿日期：2022-05-06基金项目：2021 年度校级大学生实践创新训练计划项目“基于多传感器的作物信息检测系统设计”（XJDC2021208）通信作者：陈飞，副教授，硕士，研究方向：计算机先进测控技术等，E-mail：0 引言我国是农业大国，而非农业强国，耕地分布较为分散，农业生产仍然以传统生产模式为主 传统的耕种只能凭经验施肥灌溉，不仅浪费大量的人力物力，也对环境保护与水土保持构成严重威胁，对农业可持续发展带来严峻挑战 分散经营的小农生产方式无法实现规模化、集约化，严重制约了农业现代化 规模化和标准化生产是当前农业发展的主要目标，智慧农业是未来农业的发展方向 国外的智慧农业技术缺乏农户和小地块技术以及农业生态多样性技术，因此难以满足我国广大小农户的需求 1-2 为改善这一现状，学者们对智慧农业中的农业大棚系统展开了研究 在农业大棚中，农作物生长最为关键的几个因素包括温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等，而大棚内这些环境因素的不合理会导致农作物生长缓慢甚至死亡 3-4 魏晓艳以单片机作为主控制器，设计了一套中小型温室大棚温度测控系统 5 初光勇、孟辉设计了一种基于单片机的大棚植物生长多参数数据采集控制系统，利用传感器采集当前土壤湿度、光照强度、空气温湿度等数据并进行简单控制 6 蔡宇晶等对大棚内温湿度、光照强度和 CO2 浓度进行数据采集，并由人工、远程和智能三种模式调控大棚内环境 7 众所周知，智慧农业大棚系统中需要涉及温度、湿度、光照度、土壤温湿度等的传感器，传感器与控制器之间数据传送的多样性使智慧农业大棚数据采集缺少统一的标准，从而降低了智慧农业大棚系统的普适性 同DOI:10.16101/32-1749/z.2023.02.022第 2 期27时又因我国农民的文化水平大多不高，所以需要设计一种简单、易操作推广、普适性强的智慧农业大棚系统 为此，本文设计了基于 STM32 和 QT 平台的大棚远程监控系统1 系统总体设计基于STM32和QT平台的大棚远程监控系统由以STM32为核心控制器的大棚作物生长环境监控、与远程终端（QT平台）之间的数据通信和远程终端的数据显示三部分构成STM32 通过传感器分别采集空气温湿度、光照度、土壤温湿度、电导率等数据并在RGB屏上显示 再对数据进行处理并系统电源环境传感器（温湿度、光照度等）人机交互外设（触摸屏）STM32工作系统电平转换或驱动电路调节环境的执行器件PC机（QT）供电实时数据命令手动控制命令环境参数系统状态等控制信号无线传输参数上传供电供电供电图 1 大棚监控系统硬件总体框图图 2 最小系统部分电路（a）系统的外部晶振；（b）系统启动方式选择电路；（c）外部电池与 STM32 的连接对执行机构或输出 I/O 口作出相应控制；通过无线网络上传数据给远端的 QT 应用程序，QT 应用程序接收数据并显示 系统硬件总体框图如图 1 所示2 系统硬件设计2.1 STM32F429BIT6 最小系统电路设计STM32F429BIT6（以下简称为STM32）的最小系统包括：供电、复位、外部晶振（2个）、Boot启动模式选择、下载电路（串口/JTAG/SWD）及后备电池 最小系统详见芯片的数据手册 8，以下仅针对系统中一些关键之处进行说明（1）晶振电路STM32 工作时的系统时钟与 RTC 时钟分别由两个外部无源晶振提供，如图 2(a)所示起振电容的取值由式（1）确定 （1）以图 2 中 25 MHz 晶振 X2 为例，生产厂家标明其负载电容 Cf=18 pF（1）式中 Cic与 C 分别为芯片内部和 PCB 板间的寄生电容，根据经验值一般取两者之和为 35 pF此处取 Cic+C 为 3 pF，由此可以计算出晶振两端起振电容 Cd与 Cg的大小，取 Cd=Cg=30 pF，即 C34与 C35取 30 pF（2）启动方式选择系统启动方式选择电路如图 2(b)所示SW4 是一个拨码开关，右侧以公共端的形式与 VCC 相连，左端配合下拉电阻，控制 BOOT0 与 BOOT1 引脚的高低电平 而 BOOT0 与 BOOT1 的状态决定了 STM32 上电时是从 FLASH、系统存储器还是内部 SRAM 启动（3）系统外部电池为保证系统RTC时钟在掉电时也能够正常工作，需要为STM32的VBAT引脚接入一颗电池，其与STM32的连接电路如图2(c)所示 其中D12为双向肖特基二极管，用于将系统电源与电池电源隔离 在系统正常供电时，上管截止，下管导通，RTC 由系统电源供电；当系统断电时，上管导通，下管截止，RTC 由外部电池供电2.2 传感器电路设计通过比对售价、精度、环境对传感器量程及通信协议的需求，选择智泽公司的 ZZ-LRS-LIGHT 光照传感器、ZZ-SOIL-GTH 土壤温湿度及电导率传感器和 UM-TH4X-CN2 空气温湿度传感器作为温室大棚监控系统的传感元件 三种传感器使用的通信协议都是Modbus协议 因STM32没有RS485电气接口，因此必须通过电袁琛，等：基于 STM32 和 QT 平台的农业大棚远程监控系统设计常熟理工学院学报（自然科学）2023 年28图 3 传感器电路 图 4 人机交互硬件电路（a）SP3485EEN 的工作电路（a）SDRAM 驱动电路（c）触摸屏驱动电路（b）RGB 屏驱动电路（b）传感器接口电路平转换 为简化电路，采用由UMW友台半导体公司生产的 SP3485EEN 实现 RS485 与串口通信之间的转换，其引脚定义见数据手册 9 根据引脚定义，使用 STM32 的串口 2 与之相连，构成一条 485 总线，并且在总线上设置足够的接口供传感器连接，同时还应该考虑传感器的供电 SP3485EEN与STM32、传感器端子的电路原理设计如图 3 所示图3(a)中C3作为旁路电容，用来给芯片退耦 D2是一只双向TVS瞬态抑制二极管，它的击穿电压为 7 V，用来将 485 差分总线间的电位差钳位在7 V内，避免SP3485受到意外的高压冲击 R4、R5、R6 是 485 总线的终端负载，根据芯片数据手册给出的电路设计 图 3(b)JP1、JP2、JP3 是传感器的接口，使用 3.96 mm 的 4pin 端子连接，便于插拔，传感器供电使用的是 12 V 电压2.3 人机交互硬件电路设计人机交互通过 RGB 触摸屏配合SDRAM 的方式实现考虑 SDRAM的容量、工作频率与成本，选用华邦 W9825G6KH-6 作 为 本 系 统 的外扩 SDRAM 芯片选择分辨率为480272，尺寸为 4.3 英寸（显示区域：9.50 cm5.39 cm）的 RGB 屏 该屏幕附带一个电容触摸屏，触摸屏的控制IC 为 GT9174，与 STM32 采用 IIC 总线的方式进行通信 图 4(a)图 4(c)分别为 SDRAM、RGB 屏和触摸屏的驱动电路图 4(a)中包括 C26 至 C32 在内的 6 只电容用于给 SDRAM 退耦，在 PCB 设计时应当尽量靠近 SDRAM 芯片本身 图 4(b)中 RGB 屏幕的背光电源由 LVCC 与 LGND 提供，LVCC 与 LGND 通过 LED 驱动芯片 MP3302产生 图 4(c)中触摸屏的 INT 引脚会在触摸 IC 检测到有效触摸时产生一个上升沿跳变，因此可以通过 STM32的 GPIO 触发外部中断，STM32 根据触发中断的中断信号来判断是否有触摸按键按下2.4 控制电路设计本监控系统对大棚环境的参数进行控制时，使用驱动继电器的方式来控制相应执行机构的工作状态一般的继电器驱动信号为 05 V 的 TTL 电平，且对驱动电流有一定要求，而 STM32 的 GPIO 输出高电平时只有 3.3 V，因此必须要进行电平转换 系统选用电平转换芯片 RS0108 来实现 该芯片具有 8 路转换通道，能够实现 3.3 V 与 5 V 信号的互相转换，并且在开漏模式下，芯片的转换速率高达 24 Mbps 这也为后期通过485 P485 NR5R6第 2 期29袁琛，等：基于 STM32 和 QT 平台的农业大棚远程监控系统设计PWM 信号驱动其他控件提供了硬件基础 RS0108 的工作电路如图 5 所示图 5 中，RS0108 不仅接收 6 组继电器的控制信号，同时还与STM32 串口 6 的收发接口相连 转换电平后的串口通过排针引出，确保系统具有一定的可扩展性 JP8是一个8pin的3.96 mm端子，继电器模组通过该端子与系统相连接2.5 远程通信电路设计为实现对大棚内部环境的远程无线控制，使用了两片安信可公司生产的 ESP8266-12F WiFi 模组分别作为远端和本地端的无线通信器件 远端WiFi模组以主站模式工作，本地端WiFi模组以图 5 RS0108 的工作电路图 6 WiFi 模组的工作电路图 7 STM32 本地端主程序流程图从站模式工作 该模组可以使用厂家提供的 AT 指令集进行操作，同时它还具备透明传输功能 Wi-Fi 模组的工作电路如图 6 所示为了便于调试以及给 WiFi 模组下载固件，图 6 中的R10与R12用于选择模组的复位方式：焊接R10，模组上电自动复位；焊接 R12，模组的复位受 STM32 的 GPIO 控制R14与R15则是用来设置模组的启动模式：焊接R14，模组上电进入正常运行模式；焊接 R15，模组上电时进入固件下载模式 R10、R12、R14 和 R15 的具体阻值以及是否焊接需要在调试过程中确定开始系统时钟、相关变量、串口初始化显示屏初始化WIFI模组等其他外设初始化定时时间到？触摸屏按下？定时时间到？自动控制？将STM32获得的数据发送给远端根据被按下的位置执行相应操作向传感器发送数据，查询当前环境参数并刷新显示根据当前环境参数作出决策，控制相应执行机构YNNNYYYN3 系统软件设计系统软件可以分为以 STM32 本地端软件设计、STM32 与远程终端（QT平台）之间的数据通信和远程终端的数据显示三大部分 STM32本地端软件设计包括主程序、FMC 总线的配置以及 SDRAM 读写程序、RGB 触摸屏程序、STM32 与传感器的通信程序、AT24C02 的读写程序及控制程序的设计 本部分仅对核心的程序作一说明3.1 STM32 主程序设计STM32本地端主程序流程如图7所示 大棚系统在上电后，STM32首先配置好定时器，继而对相关的系统变量、串口、显示屏和WiFi模组等进行初始化 在完成初始化的步骤后，系统进入 while 循环在循环中，系统先进入第一步判断判断是否向远端（PC 机）发送传感器数据，此步骤与接下来的步骤