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中国地质大学（武汉）嵌入式系统方案——基于STM32的智能温室控制系统组员：班级：指导老师：杨勇一、硬件部分：...............................................................................................................................31系统总体设计方案................................................................................................................31.1温室系统的组成.........................................................................................................31.2控制方案设计.............................................................................................................32智能温室控制系统传感器设计............................................................................................43WIFI模块设计.......................................................................................................................73.1WIFI模块构架.............................................................................................................73.2WiFi模块的工作流程................................................................................................8二、软件部分10一、硬件部分：1系统总体设计方案1.1温室系统的组成温室系统主要包括智能控制系统、加湿系统、通风系统、遮阳系统及加热系统五部分。智能控制系统是温室的控制核心，通过数据采集模块收集温室内的各环境参数并将监测结果实时显示在微控制器及计算机屏幕上，同时对各参数进行实时控制和调节，满足作物生长需要。加湿系统的主要功能是确保室内作物生长所需的水分；当温室内温度偏高时，通风系统可降低室内温度；遮阳系统用来保证室内光照强度；供暖系统主要是保证作物生长在最适合的温度环境下。1.2控制方案设计在综合考虑系统的测量精度，效率以及成本等多方面要求之后，选取温室内温度、湿度和光照度作为主要被控制量，以天窗/侧窗、风机、遮阳网、加热加湿装置等执行机构作为输出控制。智能温室控制系统总体结构如图1所示。主控制器传感器1传感器2传感器3传感器4传感器5pc机图1智能温室控制系统总框图主控制器其作为整个系统的核心，负责整合各个感应器，将感应器获取的数据接收，整合，处理，然后通过网络系统传输给pc机。上位机负责记录储存主控制器传输过来的数据，方便人员监测和调节整个系统。同时主控制器也负责接收从pc机传来的指令，将其传输给其他部件降指令执行。智能温室系统几个主要的指标有温度，湿度，光照，振动等，所以在系统中加上几个传感器。传感器1----温度传感器，传感器2----湿度传感器，传感器3----振动传感器，传感器4----光照传感器，传感器5----开关传感器。由图1可知，主控制器是整个系统的中心，负责接收各个分站节点发来的数据，并将总线上的数据发送给上位机。上位机仅作为辅助功能，记录各分站节点的环境参数，便于工作人员实时监控前端工作数据情况，在发生意外时能及时处理。同时主控制器也可以接收上位机上的指令。本方案主控制器选用的是以ARMCortex-M3为内核的STM32F107互联型系列处理器，主频为72MHz。其中内部集成有CAN控制器，符合CAN规范CAN2.0A和CAN2.0B，通过CAN总线与带CAN总线接口的分站节点通信，构成智能温室测控系统。本设计的分站为整个控制系统的核心，以STM32F103VBT6增强型系列处理器为智能控制器，由信号采集、智能控制、数据显示、键盘中断、数据通信、执行机构等模块组成。控制器通过传感器将温室内的温度、湿度及光照度等环境因子转换成相应的电信号，经过滤波电路后送入单片机，实现对信号的采样。采集后的信号与预先设定的数值进行比较，当温室内环境因子指数超出预先设定值时，启动执行机构。分站也可以接受主控制器上的指令对各个模块进行控制。系统在控制策略上采用上下限控制。可根据室内温度、湿度和光照度等参数的变化，按照预先设定的阀值，实现对天窗/侧窗、风机、加湿加热装置的智能控制，调控温室的气候环境，以满足作物生长的需要。同时分站能够脱离主控制器及上位机,实现独立高效的工作。2智能温室控制系统传感器设计本系统中考虑的环境因子有3个：温度、湿度和光照度。温度检测选用Dallas公司生产的单线式数字温度传感器DS18B20，该器件耐磨、耐碰，体积小，使用方便，适合于恶劣环境下的现场温度测量。采用直接数字化输出，只有3个引脚（即电源VDD、地线GND、数据线DQ），且自带A/D直接输出数字量，不需要外部元件。现场温度直接以单总线的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。该电路测量温度范围为－55~＋125℃，精度为0.5℃，用9bit数字量表示温度，每次将温度转换成数字量需200ms。其测温电路如图2。图2温度采集电路对湿度的测量采用Honeywell公司生产的HIH-4000集成湿度传感器。该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时内部集成了信号处理功能，因此可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务。根据HIH-4000的特性，输出电压与湿度的典型配合关系曲线如图3所示，本系统只需对输出电压进行A/D采集即可获得湿度值，而STM32自带了A/D功能所以无需再搭建外围电路。其湿度测量电路如图4所示。图3输出电压与湿度的典型配合关系曲线图4湿度采集电路光照度的测量采用ROHM数字型输出环境光亮度/光强传感器BH1750FVI。此传感器内置了高精度的16bitA/D转换器，无需外部器件，对于暗处到室外有着宽广的照度范围，其测量范围为1~65535lx，可通过寄存器设定来选择1lx或4lx的步进来进行测定。另外，可以直接输出照度值，不需要在微型控制器侧演算处理读取值等。BH1750FVI采用I2C总线连接,最低支持1.8V供电电压，精度±20%，且内置50Hz/60Hz光噪声去除功能。根据BH1750FVI的特性，器件内部结构如图5所示，本系统通过STM32自带的I2C接口实现了光照度的采集。其照度测量电路如图6所示。图5BH1750FVI内部结构图图6照度测量电路3WIFI模块设计3.1WIFI模块构架WiFi模块主要包括三个部分，分别为数据源，STM32开发平台和WiFi模块。相互间的联系及架构如下图7所示：图7wifi模块架构从图中可以看出，STM32开发平台是WiFi模块的核心，是项目实现的重点，模块能否正常稳定的工作直接影响到整个系统的实现，其主要设计目标如下：1.需要实现对Wi-Fi模块设置与控制，完成与网络连接及数据收发。2.实现终端与服务器间的注册、登录、主被叫通信建立等信令功能。3.实现移动办公平台间端到端的可靠数据传输。对与数据源，主要是指通过串口3进行传输数据给STM32，本项目中主要使用PC机，而对于WiFi模块则主要负责连接网络、发送和接收数据，但是其主要的功能还是需STM32进行控制。3.2WiFi模块的工作流程模块的工作流程包括注册和数据的发送请求等，发送数据和接收数据的工作流程如图8所示：从图中，对于发送数据的流程，模块开启后，首先通过Wi-Fi模块寻找、连接网络，当连接到网络时，主动向服务器发送注册请求，注册完成后便可以根据上层的需求进行呼叫请求了，建立数据连接后，移动开发平台便开始等待上层的数据，直到收到数据，由STM32将数据封装后通过Wi-Fi模块发送给服务器。重复等待动作直至通信结束。对于接收过程，与发送过程类似，只是对于数据的处理，与发送过程正好相反。图8数据发送和接收流程二、软件部分温室智能控制系统的软件部分为以单片机为核心的主控机和分站监控管理及通讯系统。其应具有两种工作模式：1.手动模式各个节点数据经过采集加工输送到pc机终端，再由终端的人员发送调节命令给主控制器，主控制器再控制各个节点执行；2.自动模式各个节点在指定周期内自动将数据传输给终端，终端通过软件判断是否异常，并相应产生处理命令。主控节点主要负责对各个节点的数据进行采集传输和控制。开始系统初始化是否采取手动控制输入指令指令是否正确指令分析指令处理上传数据数据异常形成指令指令分析指令处理