yl 69湿度传感器机友分享基于机智云物联网平台的大棚智能管理系统设计

发布时间：2024-11-26 04:11:18

机友分享基于机智云物联网平台的大棚智能管理系统设计

摘要: 利用STC15F2K60S2芯片设计了一个大棚智能管理系统。系统利用Wi-Fi无线模块与机智云物联网平台互联，将传感器采集到的温湿度、光照强度、土壤湿度、营养物料含量以及二氧化碳浓度等信息传送到手机APP操作界面显示。实践证明该系统能够实现远程实时监控、自动补光、定时浇水以及肥料报警等功能。

关键词: STC15F2K60S2 无线模块机智云物联网平台实时监控

引言

本文以单片机（STC15F2K60S2）为核心，采用无线传输技术，设计了一个基于机智云物联网平台的大棚智能管理系统，用户可以通过APP实现远程实时监测和控制[1]，并调节相关变量的限值，使大棚的温度、光照强度、土壤的湿度、二氧化碳的浓度更加合理。

1系统的硬件设计

系统由STC15F2K60S2单片机、光照模块、温湿度检测模块、CO2检测模块、土壤湿度检测模块、通风模块、风扇降温模块、自动浇水模块、报警模块、无线通信模块、机智云物联网平台、手机APP组成。

1.1主控电路

STC15F2K60S2单片机是一种新型单片机，其速度远超早期51单片机，内部具有高精度R/C时钟，常温下温飘也相对较低。单片机外部硬件接线如图2所示。芯片的14管脚（VCC）接+5V供电，16管脚接地实现给单片机供电。它的27、26、24管脚分别是运行指示、补光指示、加热指示，各自连接一个限流电阻保证LED的正常运行。而23、29管脚分别连接浇水水泵和风扇的继电器驱动端。

1.2 光强模块

光敏电阻是一种随着光照强度改变阻值大小的元器件。在光照增强时，阻值变小；在光照减弱时，阻值增大[2]。通过光敏电阻的特性来开关灯源，从而实现自动补光功能。光敏电阻接线图如图3所示。在一定电压的条件下，当光照强度越大则电阻越小，对应的电流越大，反之则电流越小。电路中光敏电阻串联一个10K的电阻用来限流。单片机上的8管脚引出LO获得当下的电流值与限值作比较，只有当LO处所在电路的电流值小于预设值时，打开补光灯（LED6），其余情况补光灯关闭。

1.3 温度传感器模块

本设计采用DHT11温湿度传感器，内部分别置有测温器件和电阻式元器件用来连接内置的小型单片机，无需额外的多余部件，具有较高的精度和长期的稳定性[4-6]。传感器的1引脚接地，2引脚接+5V供电电源，3引脚接到单片机的22管脚作单向数据传输。

1.4 二氧化碳检测模块

MH-Z19是一种基于非色散红外（NDIR）原理的二氧化碳气体检测传感器，可以识别空气中的二氧化碳并检测其含量，具有使用期限长、灵敏度高且无氧气依赖性的特点。传感器外部4引脚接+5V电源，3引脚接地，2和1引脚分别是数字输出（DOUT）和模拟输出（AOUT），电路图如图5所示。同时，其器件内部含有温度补偿，可以实现数字与波形的输出，具有较高分辨率和较低功耗。

1.5 土壤湿度检测模块

YL69土壤湿度传感器，采用不锈钢防水探针，可以满足定点监测和在线测量。通过将传感器的两个插片插在土壤里，测得当前的土壤湿度值，通过IN端与LM393相连。LM393是一个比较器，通过R1设置一个标准值，当湿度大时，OUT端输出低电平，相反输出高电平。OUT信号可以直接用来粗略估算湿度大小，具体电路如图6所示。

1.6 Wi-Fi无线通信模块

无线通信模块采用esp8266串口无线AP+STA”(COM-AP+STA）模式，既可以被其他的Wi-Fi设备连接，又可以连接到其他的无线网络，实现串口与其他设备之间的无线数据互传[6]，具有低功耗、高集成度、超宽的工作温度的优点。芯片外部在RST和EN端分别串联一个10K的电阻；VCC端外接一个3.3V的降压芯片；UTXD、URXD直接与单片机的RXD、TXD连接，经测试通信正常。电路接线如图7所示。

1.7 窗户通气模块

本设计采用ULN2003驱动步进电机实现窗户的开闭，具有电流较大且耐压能力强的特点。工作电压为5V，可直接与TTL以及CMOS电路直接相连，还能直接处理本需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。芯片外部VCC接+5V电源，GND接地。IN1～IN4是ULN2003的四个输入控制信号端，高电平有效。它主要构成脉冲（驱动信号）给电机用。

1.8 机智云控制平台模块

机智云控制平台基于路由器与ESP8266 Wi-Fi模块相连，在更改相应的参数后，智能终端（APP）与串口模块绑定，可实现远程控制设备。本设计是以机智云作为第三方的物联网平台，用ESP8266无线模块连入机智云物联网平台，以此来实现APP远程控制设备。

2 系统的软件设计

主程序流程图如下所示

程序初始化（串口初始化、定时器初始化、用户协议初始化、机智云协议初始化、AD转换初始化）后进入循环。第一步进行按键扫描；第二步检测土壤湿度是否低于限值，若低于湿度限值则启动水泵浇水，10分钟后水泵自动停止，若没有低于土壤湿度限值则继续往下执行程序；

第三步检测空气温度是否超过上限值，若超过温度上限值则打开风扇降温并启动蜂鸣器报警，若没有达到温度上限值则继续检测温度是否低于下限值，若低于下限值则启动蜂鸣器报警，若没有低于下限值则继续往下执行；

第四步检测空气中的二氧化碳是否超过限值，若超过二氧化碳浓度限值则打开窗户通风并启动蜂鸣器报警，若没有达到二氧化碳浓度限值则继续往下执行程序；最后一步是检测光线亮度是否达到标准，若没有达到亮度标准则打开补光灯进行补光，若达到亮度标准则返回初始化，继续进行下一次循环。

3 系统调试

在模拟环境下对该系统进行调试，上位机实时控制界面。

上位机实时控制界面

总结

本文设计了一个基于机智云物联网平台的大棚管理控制系统。系统采用STC15F2K60S2单片机作为主控芯片，Wi-Fi芯片（ESP8266）作为物联网控制芯片，配合各功能模块的电路设计，用户可以通过安装智能手机应用程序远程实时监控。通过测试，该控制系统可以稳定、准确地进行远程实时监控。

【IoT开发】机智云平台+STM32的植物浇水系统的设计与实现

摘要:由于城市居民工作忙，生活节奏快，人们经常忘记给植物浇水，为此设计一款基于STM32的植物浇水系统，主要由STM32单片机、土壤湿度传感器、温湿度传感器、Wi-Fi模块、水泵系统、继电器以及OLED液晶显示屏等构成，实现手动或自动浇水和远程监控。当土壤湿度传感器检测到土壤中的湿度较低时，自动启动浇水系统浇水，直到土壤湿度达标。同时，用户可以通过手机App实时查看土壤湿度数据与空气温湿度数据、设置浇水模式等。该系统硬件电路成本低，运行稳定，实现了智能浇水。

0引言

随着科学技术的进步和人民生活质量的提高，越来越多的居民在自家阳台种植花卉植物，以改善家中的空气质量并陶冶情操。但由于生活节奏较快，人们常常忘记或者无法及时给花卉浇水而导致花卉枯萎[1-3]。研究表明，花卉生长过程中枯萎有百分之八十是由于浇水不当引起的，浇水不宜过多也不能过少[4],因此如何给花卉浇水是一个不可忽视的研究领域。但人们不一定都十分了解花卉种植，很多时候无法从花卉和土壤的表面来判断是否需要给花卉浇水，因而自动浇花设备是一个不错的选择。

市场上已有的自动浇花设备大多不适合家用，其价格昂贵、性能低，虽然采用了定时浇水方案，但并没有考虑当下花卉的生长环境和状况，可能会产生浇水过多或者过少而导致花卉枯萎的情况[5]。为了解决以上问题，本文将物联网技术与云平台相结合，设计一款根据土壤湿度进行浇水的植物浇水系统，能够根据土壤湿度的变化自动实时浇水，同时能够实时监控土壤的湿度及环境温湿度信息，并将土壤湿度及环境温湿度信息传输到机智云物联网平台，便于用户在手机App上实时监控。

1 机智云物联网平台

在技术高速发展的今天，物联网系统开发模式已经发生了大幅度的转变。在传统物联网系统开发模式中，需要搭建一台高性能服务器，在服务器上搭建物联网后台，把相关项目以及数据部署在服务器上，通过服务器向用户提供相关服务。但是该模式存在很多问题：首先是成本问题，主要包含购买服务器、服务器的运营等费用，导致系统价格上升，难以推广；其次是安全问题，服务器要预防网络攻击、停电等各种异常问题，一旦服务器出现问题，产品可能会死机。

本文选取机智云物联网平台，其是致力于物联网、智能硬件云服务的开放平台。平台提供了从产品定义、设备端开发调试、应用开发、产品测试、运营管理等覆盖智能硬件接入到运营管理全生命周期服务的能力[6]。目前，机智云针对esp8266提供基本的MCU开发方案以及SDK开发方案，能够满足用户的实际需求，使用简单灵活。

2 系统硬件设计

系统总体设计如图1所示。由图1可知，整个系统由数据获取层、数据处理及控制层和数据显示层组成。数据获取层由土壤湿度传感器、温湿度传感器构成，其中，土壤湿度传感器能够采集土壤湿度，温湿度传感器能够采集环境温湿度数据。数据处理及控制层包括STM32单片机、继电器、水泵，其中，STM32为系统核心部分，用于数据处理，并向继电器发送控制信号，启动或停止水泵出水。

数据显示层包括OLED液晶显示屏、Wi-Fi模块、机智云物联网平台和手机App, 其中，OLED液晶显示屏用于显示STM32获取的传感器数据信息，STM32通过Wi-Fi模块向机智云物联网平台传输数据，并将数据显示在手机App上，同时借助手机App向STM32单片机发送控制信号。

图1 系统总体设计框图

2.1 土壤湿度传感器硬件电路设计

选用YL-69土壤湿度传感器检测土壤湿度，将土壤湿度转换成模拟电压信号，单片机借助内部自带的模/数转换模块将模拟信号转换成数字信号，从而获取土壤湿度数据[7]。该传感器利用土壤水分对电容值的影响来检测土壤湿度：数值越大，说明土壤越干燥；数值越小，土壤越湿润。在硬件电路连接时需要将土壤湿度传感器的AO引脚与单片机的ADC输入引脚(PA1)相连，土壤湿度传感器的GND引脚连接到单片机的GND引脚，土壤湿度传感器的VCC引脚连接到单片机的VCC引脚。

2.2 环境温湿度传感器硬件电路设计

选用DHT11温湿度传感器监测环境温湿度信息。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，单线型串行接口，使用时需要在数据口连接一个上拉电阻(连线长度短于20 m时用5 kΩ上拉电阻，大于20 m时根据实际情况选择合适的上拉电阻)[8-9]。上电后，温湿度传感器接收到单片机发送的相关命令，并根据接收到的不同命令反馈相关数据。在硬件电路连接时，将温湿度传感器的数据输出引脚与单片机的通信引脚(PB9引脚)进行连接。

2.3 继电器硬件电路设计

继电器被用来控制水泵。水泵启动需要较大的电压及电流，如果使用单片机直接驱动，将影响单片机工作的稳定性，因此采用弱电控制强电原理，借助继电器进行控制。继电器相当于一个开关，其中VCC表示电源正极、GND表示电源负极、IN表示信号输入脚、COM表示公共端、NC(normal close)表示常闭端、NO(normal open)表示常开端，一般情况下是常闭状态。在硬件电路连接时，继电器连接单片机的PB13引脚。

2.4 数据显示与系统通信硬件设计

2.4.1 ESP8266通信模块硬件电路设计

ESP8266是一个成本较低的无线设备，内置TCP/IP协议，可以与任何Wi-Fi网络连接，是目前比较常用的一种无线通信模块[10]。本系统中的通信模块通过串口与单片机相连，将单片机与机智云服务器连接，进行数据传输。在硬件电路连接时，将Wi-Fi模块的LRXD引脚连接单片机串口TX(PB10),UTXD引脚连接单片机串口RX(PB11),从而实现两者之间的数据通信，如图2所示。

图2 ESP8266硬件电路连接图

2.4.2 OLED液晶显示屏硬件电路设计

有机发光二极管(OLED),又称有机电激光显示。OLED具备自发光、使用温度范围广、构造简单等特点，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。虽然OLED的尺寸难以大型化，但是分辨率很高。

SSD1306是0.96英寸OLED液晶屏，满足本系统需求。STM32单片机将获取到的温湿度信息显示到OLED液晶显示屏，方便用户查看。在硬件电路连接上，STM32使用IIC通信协议连接OLED液晶显示屏，分别连接单片机对应的PB6(作为IIC的SCL引脚)和PB7引脚(作为IIC的SDA引脚)。

2.5 STM32单片机程序下载电路设计

选用的STM32F103C8T6单片机是一款基于Cortex-M3内核STM32系统的32位微控制器。该单片机支持的程序下载方式包括串口下载和下载器下载。串口下载需要先更改硬件boot引脚连接方式，然后修改单片机的启动地址，即可通过串口下载程序，而下载器下载需要借助单片机的下载引脚SWD和SCLK,再使用下载器下载程序。采用串口下载方式，借助FlyMcu软件，通过串口完成程序的下载。

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

STM32作为主控芯片，负责程序初始化、控制及数据显示。单片机首先获取传感器数据，将数据显示在液晶屏，使用通信模块连接机智云平台与手机进行通信，再根据获取的数据实施相应控制。当土壤湿度传感器检测到土壤湿度较低时，启动浇水系统，当土壤湿度达标后停止浇水系统，其中浇水系统的启动方式包括手动和自动2种。具体流程如图3所示。

图3主程序流程图

3.2 土壤湿度传感器程序设计

土壤湿度传感器的数据获取是通过单片机的ADC引脚获取传感器的电压值，然后将获取到的模拟电压进行模数转换得到土壤湿度信息。首先初始化ADC功能，然后打开相关ADC通道进行数据循环采样，流程如图4所示。

图4 土壤湿度传感器程序流程图

3.3 环境温湿度传感器程序设计

环境温湿度传感器通过单片机的IO口进行命令的发送及数据的获取。首先初始化与温湿度传感器连接的数据引脚，然后分别输出一段时间的高低电平命令，获取GPIO的电平信号并获取温湿度传感器传输的数据。程序设计流程如图5所示。

3.4 ESP8266通信模块程序设计

ESP8266通信模块通过串口与单片机进行通信，因此将该程序设计转换成单片机串口数据收发程序。首先对串口初始化，设置标志位，判断串口是否产生中断：如果产生中断，接收数据并将数据解析存储；如果没有中断，继续等待。程序设计流程如图6所示。

4 系统测试与应用

在进行系统硬件调试前，需要确保传感器和单片机电源、传感器与单片机的引脚连接正确。经过硬件焊接连接的实物图如图7所示。

图5 环境温湿度程序设计流程图

图6ESP8266通信模块的程序设计流程图

图7 基于STM32的植物浇水设计

4.1 云平台传输调试

将系统获取的数据上传至机智云物联网平台，并针对Wi-Fi模块、数据上传和命令过程下发进行调试。调试程序如图8所示。

图8 ESP8266调试程序

4.2 测试结果与分析

在自动模式下，将土壤湿度传感器放置在干燥缺水的土壤中，通过手机App可监测到环境温度值为26,环境湿度值为32,土壤湿度值为4036,此时自动启动水泵浇水，如图9所示。

图9 自动浇水调试图

5总结

以STM32F103C8T6作为主控芯片，以及使用温湿度传感器、土壤湿度传感器、继电器、水泵、Wi-Fi模块、OLED等器件，设计了一款能够实时采集土壤湿度信息，并在土壤干涸时及时浇水的智能浇水系统。该系统能够满足实时监测土壤环境的湿度，并且能定时将采集到的数据上传到机智云物联网平台，使用户能够实时了解环境状况，同时用户能够根据环境温湿度以及土壤湿度信息，决定是否远程打开水泵进行手动浇水操作。实践证明，该系统运行正常，能够直观地监测到花盆土壤信息，实现植物的科学浇水。

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