基于STM32的云上OneNET智慧大棚（包含程序设计报告）

目录

概要

作品介绍

设计原理

设计作品结构

软件部分

概要

        为了解决传统农业生产效率低下，消耗大量的人力物力，不能精确的对农作物实现监控的问题，从而最大限度的提高农业生产力，实现优质、高产、低耗、环保的可持续发展物联网[1]农业。云上OneNET的智慧大棚采用STM32MCU[2][3]接收GY30[4]光照强度传感器、SGP30二氧化碳/TVOC传感器、SHT20[5]温湿度传感器、YL-69[6]土壤湿度传感器测得的参数，通过ESP8266wifi[7]模块上传至OneNET[8][9]云平台，云上OneNET的智慧大棚实现了在物联网，多终端的条件下实时监控大棚里的重要生产环境因素（光照强度、CO?、TVOC浓度、空气温湿度、土壤湿度），以及超过设定阀值的系统自动调节或从终端人为下发命令调节的功能。云上OneNET智慧大棚创新的将农业加上互联网，可以精准的及时监控大棚里的环境因素数据（上传数据时间间隔最低可达3s）并通过中移物联网OneNET平台将离散的数据可视化（中移OneNET平台支持多种数据展示方式：曲线图，柱状图，表盘，按键），方便长期的监控和分析最适宜作物生长的环境因素，可以高效率低成本的维持大棚内的稳态。

作品介绍

1、创作动机

为了解决传统农业生产效率低下，消耗大量的人力物力，不能足够精确的对农作物实现监控的问题，最大限度的提高农业生产力，实现优质、高产、低耗、环保的可持续发展农业。云上OneNet的智慧大棚实现了在互联网，多终端的条件下实时监控大棚里的环境因素（光照强度，空气温度，空气湿度，土壤湿度等），以及超过设定阀值的系统自动调节或从终端人为下发命令调节的功能。云上OneNet的智慧大棚创新的将农业加上互联网，可以更加精准的及时监控大棚里的环境因素数据（上传数据时间间隔最低可达8s）并通过中移物联网OneNet平台将离散的数据可视化（中移OneNet平台支持多种数据展示方式：曲线图，柱状图，表盘，按键），方便长期的监控和分析，此外还可以更加高效率低成本的维持大棚内的稳态。

2、创作目的

为了解决传统农业生产效率低下，消耗大量的人力物力，不能足够精确的对农作物实现监控的问题，最大限度的提高农业生产力，实现优质、高产、低耗、环 保的可持续发展农业。

(1)、内容和技术

云上 OneNet 智慧大棚由 STM32F103 单片机作为主控芯片处理来自 SHT20 温湿度传感器、GY30 光线传感器、土壤湿度传感器、CO2等传感器的数据再通过 ESP8266WiFi 模块将多种影响生产因素的数据上传至中移物联网 OneNet 平台上，多终端（PC 端、移动端、Pad 端）条件下实时监控大棚里的环境因素并从终端人为下发命令调节外设 和超过设定阀值的系统自动处理调节的功能。

(2)、应用和前景

农业物联网，即在大棚控制系统中，运用物联网系统的温度传感器、 湿度传感器、Ph 值传感器、光传感器、CO2 传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、 Ph 值、光照强度、土壤养分、CO2 浓度等物理量参数，通过各种仪器仪表实时显示或作为 自动控制的参变量参与到自动控制中，保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程 控制的实现使种植人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。采用无线网络来测 量获得作物生长的适宜条件，可以为温室精准调控提供科学依据，达到增产、改善品质、 调节生长周期、提高经济效益。通过物联网技术开启的智慧风暴，让农业实现了“环境可测、生产可控、质量可溯”的目标。确保农产品质量安全，引领现代农业发展。

3、作品改良

针对传统生态大棚数据不便于收集分析展示的缺点，我们采用中移物联网OneNet平台，能轻松实现平台的搭建，设备的联网，数据的收集分析展示，为寻找作物最佳生长状态提供实际指导。

4、芯片及功能

云上OneNet智慧大棚使用了一块麒麟座迷你开发板作为主控，其上包含一块STM32F103C8T6MCU，STM32 作为主控芯片处理来自空气SHT20温湿度传感器、YL69土壤湿度传感器、GY30光强度传感器、SGP30二氧化碳传感器的数据；采用 ESP8266wifi 模块将本地数据实时上传至互联网；接入中移物联网 OneNet 云平台实现对数据的可视化处理和多终端共享以及命令的下发

三、作品功能与实用性

1.功能：基于 OneNet 的智慧大棚统可以在多终端上实现对植物补光灯、排气 扇、灌溉系统及其遮光帘的控制。还可以通过中移物联网网关携带的图形人机界面，在室内智能网关控制系统上设置补光灯控制模块、排气扇控制模块、灌溉系统控制模块和遮光帘控制模块。监控温湿度、光照强度报警模块、土壤湿度模块、CO 2 浓度模块、PH 值模块、云端实时遥控命令等功能。由于“OneNet”物联网技术，移动应用程序可以与智能网关保持快速的数据通信。智能网关是整个设计的核心，可以起到连接的作用。为此，设计了 STM32主控芯片、WiFi 模块的方案。STM32 主芯片负责处理来自 WiFi 模块的数据，并对数据进行重新打包和分发。WIFI 模块负责与路由器的通信。灯光控制模块负责实际的植物补光灯，排气扇控制模块负责实际的风扇运行、灌溉系统控制模块负责实际的大棚内的浇水和遮光帘控制模块负责实际的遮光帘的升降。因此整个系统分为六个部分：PC 控制终端、智能网关控制器、补光灯控制模块、排气扇控制模块、灌溉系统控制模块、遮光帘控制模块。

 

2.将互联网和农业有机结合起来，实现农业的物联网化，接入中移物联网 OneNet 平台，不仅让各种大棚内的生产因素数据可视化（曲线图、柱状图、表盘、按 键），便于对生产因素的管理以获得作物生长的适宜条件，可以为温室精准调控提供科学依据，而且还获得了电信级的稳定，这对于满足农业生产的稳定性和可靠性有非常大的支撑。

3.具有市场竞争力方面：数据服务

通过农业大数据，不断收集智能大棚产生的各种环境生产因素，提供各地不同时节不同作物的相关生长数据包，支持农户选择不同数据包以快速适应种植地与作物；

设计原理

        1.工作原理：采用 STM32F103 为主控芯片处理来自温度传感器、湿度传感器、 Ph 值传感器、光传感器、CO2 传感器的数据；采用 ESP8266wifi 模块将本地数据实时上传至互联网，接入中移物联网 OneNet 云平台实现对数据的可视化处理和多终端共享以及命令的发。

        2.对于如何同云平台进行数据交换曾考虑过使用NB-IOT，但是NB的模块相比esp8266来说价格略高，除此之外NB还需要专门申请物联网卡，进一步加深了项目的成本，相对而言，使用esp8266既能满足项目需求，价格又合理。

        3.技术来源：中移物联网社区、CSDN、Baidu。属于参赛者自主研发内容：硬件连接逻辑、按需进行代码编写、整体物理模型的构建。

五、设计作品结构1、硬件部分(1)、 SHT20温湿度传感器

        SHT20是一款采用 DFN 封装-适于回流焊、数字输出，I2C 接口具有低功耗、优异的长期稳定性的温湿度传感器。可以通过I2C通信模式与MCU进行数据通信。SHT20传感器与STM32MCU相连，电路图如图3.1所示。其中VDD是传感器内部模拟电路电源端;SCL、SDA分别是12C通信模式时钟信号、数据信号;VSS接低电平。NC和NC_1本设计未使用，故悬空。

(2)、 SGP30二氧化碳传感器

        SGP30多像素气体传感器分线板提供完全集成的MOX气体传感器，这是Sensirion的一款非常精细的空气质量传感器，具有I 2 C接口和完全校准的输出信号，测量值的典型精度为15％。SGP在一个芯片上结合了多个金属氧化物传感元件，以提供更详细的空气质量信号。该传感器可检测各种挥发性有机化合物（VOC）和H2，用于室内空气质量监测。SGP30具有标准的热板MOX传感器，以及控制电路板电源，读取模拟电压，跟踪基线校准，计算TVOC和CO 2 值的小型微控制器，并提供I 2 C接口。从中读取。与CCS811不同，该传感器不需要I 2 C时钟延长。该传感器VCC接3.3V，GND接MCU的GND，SCL和SDA分别接MCU的PB8和PB9.

(3)、GY30数字光照强度传感器

        数字光强度检测模块：GY30采用ROHM原装BH1750FVI[7]芯片，供电电源3~5V，光照范围：0~65535lex，传感器内置16bitAD转换器直接数字输出，省略复杂计算，省略标定，不区分环境光源，接近视觉灵敏度实物的分光特性可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定标准，采用IIC通信协议。引脚VCC、GND和ADDR（器件地址0100011）分别接MCU的3.3/5V，GND和GND，SCL和SDA分别接PB6和PB7.

(4)、 YL69土壤湿度传感器

        YL69[8]是一款比较器采用LM393 芯片，工作稳定，电源：3.3V ~ 5V，设有固定螺栓孔，方便安装，获取湿度信息的方式从传感器的A0引脚：获取到模拟量，更加精确。传感器板上的VCC接电源，GND接地，A0接单片机模拟输入PA0，再经过ADC采样，量化，编码计算，最终得到精确的土壤湿度值。

(5)、NLN2003步进电机驱动模块和28BYJ48步进电机

        ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN 复合晶体管组成，每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。    步进电机相数：4，减速比：1/64，步距角：5.625°/64，驱动方式：四相八拍。ULN2003模块的引脚VCC接5V电源，GND接MCU的GND，MCU的PB0、1、3、4分别接IN4（步进电机橙线）、3（黄）、2（粉）、1（蓝）。

(6)、STM32主控电路

        本设计采用STM32最小系统板，主芯片采用STM32F103C8T6，该MCU是ST公司出品的高性能低功耗系列MCU之一，供电电压范围1.65V-3.6V，采用超低漏电工艺技术，使得MCU的运行速度和功耗与其供电无关;具有48个引脚、128kB程序Flash、lOkBRAM、8个16位定时器、2路USART、2路SPI、2路I2C和1路USB通信接口;内置16MHz和38kHzRC振荡器，使得电路无需外部晶振也能正常运行。该系列MCU可长时间运行在低功耗状态，具有周期性唤醒功能，快速唤醒时间低至4us，且数据量较小、数据传输间隔周期较大。

        为了尽可能降低功耗，本设计未使用外部晶振，而使用内部16MHz的MSI RC振荡器作为系统主时钟源，经160分频成lOOkHz供I2C外设使用，I2C采用低速率，可以稳定传输且降低功耗。MCU长时间处于停止状态，内部除RTC实时时钟（采用内部LSI 40kHzRC振荡器，低于luF电流）外，其余定时器全部停止计数，RTC实时时钟每隔30秒唤醒MCU，内部16MHz RC振荡器开始工作，主控程序正常运行，读取传感器参数，并上传至OneNET云平台。

图3.6是STM32主控电路图，采用最小系统板，其中VBAT为系统电源，使用USB供电;BOOTO和BOOT1引脚都接地，系统上电后默认从用户Flash启动。STM32F103C8T6通过I2C接口连接SHT20温湿度传感器、GY30光照强度传感器、YL69土壤湿度传感器和SGP30二氧化碳传感器;通过USART串口连接ESP8266 WIFI模块。

软件部分

        云上OneNET智慧大棚主要功能为远程实时采集温室的温湿度、光照强度、土壤湿度、二氧化碳浓度等信息，对采集的信息进行通风、遮光、灌溉等操作。实现方法为STM32MCU处理来自温湿度传感器SHT20、外接土壤湿度传感器YL69、GY30光强传感器、SGP30二氧化碳传感器等采集的信息，再通过板载ESP8266将数据传送到OneNET云平台，在云平台上设计监控界面来显示接收到的数据，既可以实现超过阈值的自动操作又可以人为远程控制温室内的抽水系统进行浇灌、直流风扇换器、遮光帘降下、阴天补光等操作。

        本设计采用中国移动物联网有限公司的OneNET方案，OneNET接入流程如图4.1所示。其中账号注册、创建产品、添加设备3个步骤需要用户在https：//open.iot.10086.cn/页面上进行操作。账号注册时填写用户的个人信息;创建产品时，产品信息的联网方式须选择“wifi”，协议须选择“EDP[3]”;添加设备时填写“云上OneNET智慧大棚”，并添加麒麟座迷你开发板的产品ID和鉴权信息;STM32主控OneNET.c程序完成接入流程中的上报数据步骤，将传感器参数上传至OneNET云平台;通过浏览器或中国移动的“设备云”APP可以查看展示数据。