基于STM32智能植物培育环境检测系统的设计*

冯新刚，王浩能，陈林敏，胡敏星，谭卢敏

（赣南科技学院，江西 赣州 341000）

当前，科技高速发展，数字智能化普及。传统的植物培育方式主要还是依赖于人工作业，极易导致由于培育人员的经验不足或人为疏忽造成植物培育不当，常常出现植物枯萎、衰败、甚至凋亡。如何利用科技手段提高植物培育质量的研究应运而生，运用嵌入式技术，结合多种传感器获取植物培育环境的温度、湿度、光照等数据，对植物的生长环境全天候检测，保证植物的生长状态，实现对植物的全自动培育。

1 系统设计

通过温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器采集环境参数，由STM32控制器自带的12位高精度A/D转换器进行转换得到参数的数字量，再经软件算法处理得到较为准确的参数值，通过ZigBee无线通信传输给控制中心。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 温度检测电路设计

温度检测选用铂热电阻PT100，型号为HEL-776，这种温度传感器的测温范围在-55℃～+155℃之间，满足测温要求，同时线性阻值与温度成正比，性能稳定[1-4]。PT100铂热电阻的阻值与温度之间的关系为：

式中：RPT为环境温度T下铂热电阻的阻值；R0为0℃时铂热电阻的阻值；A=3.9083×10-3；B=-5.775×10-7；C=-4.183×10-12。根据该公式计算出0℃～100℃对应的电阻值如表1所示。

表1 铂热电阻PT100阻值与温度对照表

温度检测电路采用恒压型测温电路，如图2所示，RT1是HEL-776铂热电阻，RV1为电桥零点调整，RV2为放大倍数调整。

图2 铂热电阻测温原理图

该电路输出电压Vout为：

式中，ΔR为铂热电阻RT1的变化量；Vin为+12V。

根据环境温度要求，设定检测温度范围在0℃～100℃之间，调整RV1和RV2，输出电压在0～5V之间。

根据图2所示电路进行温度检测并记录实验数据，实验数据如表2所示。

表2 温度检测实验数据记录表

STM32F103自带12位模数转换器进行采集，其参考电压为+3.3V，模拟电压输入范围0～+3.3V，传感器检测的输出电压需要外部加一个电压调理电路，使其模拟电压符合其A/D转换器的电压输入范围[5-7]。系统采用两个10K高精度电阻串联分压，使得传感器检测的输出电压降为0～+2.5V，精度可以达到0.06℃，满足设计精度要求。

3 湿度检测电路设计

湿度检测选用HM1500湿度传感器，该传感器适用于10%～95%RH环境的精确测量，5VDC供电时，0～100%RH典型输出1～4VDC，可以直接送入A/D转换器进行转换[8-9]。根据该传感器转换原理，输出电压Uo和相对湿度RH之间的对应关系表达式为：

在环境温度23℃时，其对应关系见表3所示。

表3 相对湿度与输出电压关系表（23℃）

湿度传感器在转换过程中会受到环境温度的影响，因此根据表达式（3）计算得到的相对湿度RH还需要经过温度补偿后才能得到较为准确的值，系统采用软件温度补偿，温度补偿公式为：

公式中：RHcompensated-温度补偿后的相对湿度；RHTa-在环境温度Ta下传感器根据表达式（3）转换得到的相对湿度；Ta-环境温度，可以由温度检测模块提供。

湿度传感器的输出电压采用相同的电压调理电路进行降压后，由STM32F103控制器自带的模数转换器进行采集，精度可达0.16%RH，根据表达式（4）进行软件温度补偿后得到不同温度下相对湿度的实验数据如表4所示。

表4 不同环境温度下温度补偿后的相对湿度数据

4 光照检测电路设计

系统选择硅光电池ZL-G003作为光照检测传感器，硅光电池光谱范围较宽，频率特性好，换能效率高且性能稳定[10]。该照度检测设定检测范围0～500lx，通过实验数据，硅光电池光照特性如图3所示。

图3 硅光电池光照电流电压特性图

由图可以看出其开路电压与光照度之间是非线性关系，其短路电流与光照度之间具有线性关系，检测光照度易于采用其短路电流，光照检测电路如图4所示。

图4 光照检测电路

电路主要由两部分组成，第一部分，实现硅光电池采集光照度，并通过运算放大器A1把短路电流转换为电压形式输出，调节RP1的大小，使输出电压为1mV/lx，再通过A2组成的电压跟随器，以及R2、C组成的低通滤波器，转换电压的输出电压为平均照度的电压信号。第二部分，通过A2组成的放大电路，调节RP2的大小，把0～500mV的输出电压放大到0～5V。根据图4电路进行实验并记录实验数据如表5所示。

表5 光照度与输出电压关系表

传感器的输出电压采用相同的电压调理电路进行降压后，由STM32F103控制器自带的模数转换器进行采集，精度可以达到0.32lx，满足设计精度要求。

5 ZigBee通信设计

ZigBee协调器节点、路由器节点及终端节点自组织形成网络系统，节点之间无线通信，终端节点将采集的数据经路由节点传给协调器节点，协调器节点汇总数据后传输给控制中心[11-12]，如图5所示。

图5 ZigBee无线数据传输流程框图

6 软件设计

系统软件设计采用ST公司针对STM32微控制器提供的STM32F10x标准外设库函数，用C语言进行开发[13]。系统上电后进行初始化，启动内部A/D转换器采集温度、湿度、光照度参数值，采样周次为5s，经过算法计算得到对应数字值，在显示器上进行显示，并且通过ZigBee把数据实时地传送给其他设备。软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

7 系统测试

系统设计了显示功能和无线通信功能，采用LCD显示屏，对检测到的植物培育环境参数进行显示，通过ZigBee无线通信技术将植物培育环境参数传送给控制中心，实现植物培育的智能化。系统检测数据显示如图7所示。

图7 系统测试数据图

8 结束语

为了解决传统的植物培育方式的弊端，引入嵌入式技术，融合多种传感器获取植物培育环境的温度、湿度、光照等数据，并通过ZigBee技术和其他设备实现无线通信，为植物培育提供了可靠的环境参数，具有较好的应用推广前景。