蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统—基于处理器STM32F103信号输入设计实现.doc

本科毕业设计（论文）题 目 蔬菜大棚温湿度和土壤水分自 动智能管理系统-基于处理器 STM32F103信号输入设计实现姓 名 专 业 学 号 指导教师 xxxxx学院信息工程学院 二一五年六月目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 研究意义32.1 国内的蔬菜大棚现状32.2 国外的蔬菜大棚现状43 系统功能总体设计方案63.1设计目的63.2 设计思想63.3 总体思路及方案73.3.1 系统设计与工作原理73.3.2 监控从节点的设计84 系统硬件设计94.1 处理器STM32F103功能94.2 传感器的选择及作用144.2.1 温湿度传感器DHT11介绍144.2.2 土壤水分传感器SHT11介绍155 系统软件设计185.1 传感器的信号传输185.2 从节点轮询查询通信方式软件流程215.3 系统最大支持从节点个数225.4 上位机管理软件22结 论24致 谢25参考文献26附录一：仿真实验图28附录二：源程序29蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统基于处理器STM32F103信号输入设计实现I蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统基于处理器STM32F103信号输入设计实现摘 要蔬菜大棚作为现代农业科技的代表，在现在的农业生产中已占据越来越重要的地位。为了更好地满足作物的生长条件，加大农作物的产量及提升农作物的品质，所以蔬菜大棚内的环境参数（如温度、湿度、土壤水分等）必须进行严格控制，从而孕育产生了蔬菜大棚环境控制系统1。从最初的模拟控制器系统、数字控制器系统，到现在采用远距离无线串口透传技术设计了自动智能管理系统，主要由温湿度监控节点、土壤水分监控节点和管理主机组成。蔬菜大棚系统的发展渐趋成熟，特别是随着现代传感器技术，过程控制技术、通讯技术及计算机技术的迅猛发展，现代化蔬菜大棚环境因子自动采集及智能控制系统的开发已被高度关注，并成为一个具有深远前景的研究方向。相信这项研究的成功能给我国农业科技一个大的进步空间也给我国农业产量得到实质性的进步。本论文中监控节点利用处理器STM32F103作为控制核心而设计，被均匀布置在蔬菜大棚的各个区域，通过传感器DTH11和SHT11分别采集蔬菜大棚温湿度和土壤含水率，通过无线串口透传模块APC22043发送到管理主机。管理主机上运行着采用C#专业设计的管理软件，自动将接收到的数据进行处理、分析和显示，并存储在数据库SQLServer2008中，如超出了预设的作物最佳生长范围，根据系统设定自动控制风机和灌溉管道阀开关进行调节2。相信通过本次整体的实验通过对蔬菜大棚环境的调控策略的分析，提出一个总体方案，设计一套自动智能蔬菜大棚控制系统，实现了蔬菜大棚温度湿度和土壤水分的实时自动智能管理，大大降低了管理者的劳动强度。关键词：蔬菜大棚；温湿度监测；土壤水分控制；无线透传智能管理VEGETABLE GREENHOUSE TEMPERATURE AND HUMIDITY AND SOIL MOISTURE AUTOMATIC INTELLIGENT MANAGEMENT SYSTEM BASED ON MICROPROCESSOR STM32F103 SIGNAL INPUT DESIGN IMPLEMENTATIONAbstractGreenhouses in the current agricultural production has been more and more important role. In order to better satisfy the crop growth conditions, increase crop yield and improve the quality of crops, and so in greenhouse environmental parameters (such as temperature, humidity, soil moisture, etc.) must be strictly controlled, so as to foster the greenhouse environment control system. From the initial simulation controller system, digital controller system, long-distance wireless serial passthrough is used to design the automatic intelligent management system, mainly by temperature and humidity monitoring nodes, soil moisture monitoring node and the management of the host. The development of greenhouse system is yet to mature, especially with modern sensor technology, process control technology, communication technology and the rapid development of computer technology, modern greenhouse environment factor the development of the automatic acquisition and intelligent control system has been paid close attention to, and became a significant future research direction.This article monitoring nodes using microprocessor STM32F103 designed as control core, be evenly arranged in areas of the greenhouse, through collecting, each sensor DTH11 and SHT11 greenhouse temperature and humidity and soil moisture content, through wireless serial passthrough module APC220-43 sent to the management console. Running on the host management USES c # the management of the professional design software, automatically receives data for processing, analysis and display, and stored in the database SQLServer2008, such as beyond the preset optimal growth of crops, according to the system sets up and automaticallies control the fan and irrigation pipe valve switch. Believe that through the whole experiment through the analysis of greenhouse environment control strategy, put forward a overall scheme, design a set of intelligent greenhouse control system, realizes the greenhouse temperature humidity and soil moisture real-time intelligent management, greatly reduce the labor intensity of the managers.Key words: vegetable greenhouses Temperature and humidity monitoring Soil moisture control Wireless passthrough Intelligent managementIII1 绪论中国作为一个农业大国，农业的发展状况至关重要，要发展农业就必须走农业现代化这条道路。随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是蔬菜大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分，是中国走农业现代化的一种有效途径，符合我国的当前国情，因此蔬菜大棚的研究备受重视。我国温室农业历史悠久，早在公元前221206年间，就曾有“冬种瓜于骊山(陕西)谷中温处，瓜实成”的记载。这就是我国，也是世界上最原始的蔬菜大棚温室栽培。国外蔬菜大棚栽培的起源，以罗马为最早。我国从20世纪60年代末开始发展蔬菜大棚产业，其主要以反季节生产的蔬菜和园艺作物的种植为主，发展迅速，产业日趋壮大。世界各国的现代蔬菜大棚于20世纪中叶年代在完善的基础得到了快速发展。追溯到世界第二次大战过后，各国对于经济发展都很重视。随着经济的迅猛发展和快速恢复，各国人民生活质量也得到飞一般的提高，同时对于农产品的要求也有了更高层次的需求，所以对蔬菜大棚的质量要求和新型技术的自动智能科技正在跟随趋势逐步提升。随着科技力量水平和工农业水平的逐步提高，新型的工业化农业进程在农业方面也扮演了相当重要的角色，随着全球各国科学技术力量的迅猛发展，形成了集合综合国力GDP、科学技术力量和人才资源的新型科学技术产业，成为当今世界最具活力的产业之一。社会的需求、技术和经济的支持，使得现代蔬菜大棚快速发展3。 我国近代蔬菜大棚发展经历了三个阶段：1、发展改良型日光蔬菜大棚阶段：改良型蔬菜大棚的特点是造价低，能就地取材，保温性能好，适合我国北方气候条件，但冬季光照差，地炉使室内空气污染，对作物生长不利。目前单坡蔬菜大棚仍然是我国蔬菜大棚的主要形式。2、发展大型玻璃蔬菜大棚阶段：大型玻璃蔬菜大棚的特点是其形式以大型连栋方式出现，蔬菜大棚骨架为全钢结构，涂防锈漆，电动开窗，燃油锅炉加温，并安装喷灌装置。但结构性能仍然不够好，由于大面积连片，缺乏通风降温装置，夏季室内温度过高无法进行生产。3、发展大型现代蔬菜大棚阶段：现代蔬菜大棚主体骨架由采用经热镀锌防锈处理的型钢材组成，具有对抗自然中不定性因素的能力；使用的覆盖材料有：普通膜、多功能膜、草被或草扇、聚乙烯高发泡软片、无纺布、遮阳网等等以及相应固定的金属材质构件，具有温度调控和水分调控的性能；并装备自动智能管理温湿度和水分、光照、通风换气、施肥等有利于农作物成长设施，因此形成使用现代科学技术的蔬菜大棚和设施设备。2 研究意义我国现代农业技术的匮乏，导致农业劳动人民从事农业劳动却因各种外界条件得不到相应的农作物收成。现代农业科学技术的应用实施，是传统农业到现代农业的蜕变。现代农业是运用现代科学技术发展起来的新型农业。两者之间有着许多差别，传统农业依靠天然资源、人力资源，而现代农业只需要少量的资源和人力，更多的是新型科学技术的使用。新型科学技术的使用使现代农业的源源不断动力，因此发展现代农业可以提高农作物的产量和质量，并使劳动人民得到解放，同时新型技术的发展运用只是思想框架需要实际的物质东西来代替实现，归根到底依靠落后的技术和设备以及不健全的总体规划，水平技术的过低导致我国虽有大面积的种植的农业大国之名，但农作物产量及质量并不能满足社会需求。现就国内外蔬菜大棚技术以及现有的蔬菜大棚现状做以下分析。 2.1 国内的蔬菜大棚现状由于蔬菜大棚种植符合我国的当前国情，是农业现代化实现的重要环节，在国家的大力支持下，近几年得到了快速发展，但发展的同时依然存在着许多不足之处，其归结起来主要有以下几个方面：1、自动化水平较低 目前大部分的温室还依然采用传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。蔬菜大棚内耕种机具操纵方便性差，绝大多数还要靠人工作业，工效低，劳动强度大，费用高，导致设施农业高劳动生产率和高土地利用率的效能得不到充分发挥。2、规模效益差 目前我国现用蔬菜大棚还有很大一部分是由国外引进的，国外现代化蔬菜大棚比较适合在气候温和、四季温差较小的地区使用，但我国土域广阔，特殊的气候条件超出了国外蔬菜大棚的适用范围。 一个地区冬季的光照状况和低温的强度与频率是发展蔬菜大棚的限制因素，因此研究蔬菜大棚的地区气候适应性对日光温室的布局和采取的措施就显得相当重要。我国加温蔬菜大棚的分布与国外不同，许多蔬菜大棚生产先进的国家，都把蔬菜大棚建立在冬季光照和温度条件相对比较优越的地区， 以减少温室能源的消耗。而我国90%的蔬菜大棚集中在三北寒冷地区的大中城市周围。这些蔬菜大棚每年需投入大量的能源用来冬季加热，夏季降温；而蔬菜大棚产量产值又很低，经济效益差。因此引进或自行设计蔬菜大棚，应因地制宜，才能取得一定的经济效益。3、设施结构简陋 我国设施结构较简陋，内部调控设备和功能不齐全、不完善，设施内的技术落后以及总体规划不尽合理，综合配套栽培技术水平低，没有最大限度地发挥其作用，导致了我国设施农业种植面积位居世界第一，但产量并不理想。我国在蔬菜大棚种植实现机械化方面还有些欠缺。2.2 国外的蔬菜大棚现状 在国外，随着现代蔬菜大棚智能化的不断完善，人们对蔬菜大棚环境的控制不断提出新的要求，电子技术、计算机与通信技术的飞速发展又为蔬菜大棚环境的控制不断完善注入了新的活力。具体优势概括出来以下几点：1、蔬菜大棚的大型化 单片机控制系统的发展依赖于现代计算机和新型硬件的发展。在计算机普及的年代，这有力地推动了单片机控制系统的发展。新型软件和硬件的使用，结合Internet网络技术的控制极高地提高了工作效率，在自动控制和管理上为蔬菜大棚大型化的实现奠定基础4。2、设施的成套化 近几年，国外蔬菜大棚的内部设备日趋完善，各项作业都实现了机械化操作，在采暖、通风、光照、施肥、灌溉、运输等方面，基本上实现了自动控制，并开始用微机控制各种调节系统。蔬菜大棚人工气候控制设备专用的电脑，计算机也纷纷推向蔬菜大棚设备市场。3、生产机械化在工业自动控制工程中，以计算机为中心的单片机控制系统越来越受到广泛的重视，其作用也越来越明显。在国外，机器人研发应用己被广泛重视，并取得初步成果，如日本、韩国研究开发了瓜类、茄果类蔬菜嫁接机器人。日本研制了可行走的耕耘、施肥机器人；可完成多项作业的机器人；能在设施内完成各项作业、无人行走车；用于组织培养作业的机器人；柑橘、葡萄收获机器人等。4、管理现代化随着公共计算机网络的普及和远程控制策略的完善，基于计算机的远程监控制系统大大降低了网络的建设与维护成本，提高了己有设备的利用效率和联合生产能力，因此广泛地延伸人类的工作空间。在远离蔬菜大棚现场的异地，通过网络进行温室设施的温湿度和土壤水分等环境数据的采集读取，也可以变更数据采集设备的一些工作参数，极大地提高了工作效率、方便了用户。这样既解决了蔬菜大棚现场数据信息的自动获取问题，又可以远程智能监控农场的执行系统，满足管理的要求，为上级管理者提供方便，节省了大量的人力物力，实现现代化的蔬菜大棚管理。3 系统功能总体设计方案3.1设计目的随着蔬菜大棚在全国各地的普及，人们一年四季都能吃到新鲜的蔬菜。众所周知，农业是一个劳动密集型的行业，尤其对传统的蔬菜大棚的管理来说，土壤水分和蔬菜大棚温度控制是耗时耗力的环节，一旦控制不好，就会导致作物发生病害、减产，甚至绝收。目前市场上有一些针对蔬菜大棚环境监测的系统，只能进行简单的监测和报警，不能及时控制调节温湿度和土壤水分参数，同时还存在测量精度低和布线复杂等问题；也有些采用了ZigBee无线通信技术的设备，但是存在传输距离短、无线传输路由复杂经常出现数据丢包等故障。因此一个良好科学的设计理念以及科学的措施对于现代农业的科技化进展有着很重要的意义, 现代农业，是落实贯彻从改革开放以来提出的全面发展小康的科学发展观道路。此时我国的国情正处于从传统农业到现代农业转型的关键时期，然而受到国土资源和自然资源的紧缺，同时伴随着发展中国家国际和国内的双重压力，必须大力发展现代农业技术，提高农业增长方式，在保护本土自然生态环境和有效利用自然资源、生产条件的基础上，加快发展现代农业和推广现代化农业生产的理念，真正的把农业提高一个档次，使农村的发展真正纳入科学发展的轨道5。 3.2 设计思想 为了改进现有系统的功能，改善现代农业技术是劳动人民得到充分解脱，提出了一种蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统，采用远距离无线串口透传技术作为通信传输手段，从安放在蔬菜大棚内各区域监控从节点的温湿度和土壤水分传感器数据汇聚，将无限串口透传技术通信传输到无线收发主节点，无线收发主节点将数据传输到管理主机，并通过上位机下发指令控制蔬菜大棚的风机和灌溉设备达到风机的控温和灌溉系统的保持水分湿度的正常，因此能实现对蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能调节管理，体现了现代农业的意义和目的所在，并且大大降低了人民的劳动强度，实现了现代科技的运用和现代农业的快速有效发展6。3.3 总体思路及方案3.3.1 系统设计与工作原理 本论文根据农作物在不同的生长时期需要的空气温湿度和土壤含水率是不同的，由于蔬菜大棚的面积比较大时，某处的检测已不能完全反应整个蔬菜大棚的环境精细状态。为了让蔬菜大棚内的参数得到及时、充分的调节，并针对传统蔬菜大棚的自动智能管理欠缺问题，设计了蔬菜大棚温湿度和土壤水分自动智能管理系统。该系统主要由温湿度监控从节点、土壤水分监控从节点、无线收发主节点、监控中心和无线通信网络等组成，总体结构如图3.1所示7。图3.1 系统总体架构图系统的主要任务是自动智能调节蔬菜大棚内的温湿度和土壤含水率，使其保持在适宜作物生长的最佳值。系统中的从节点借助温湿度和土壤水分传感器采集周围环境中的信息，通过无线透传串口技术网络定时上传到管理主机，并存储在数据库SQL2008中；管理主机根据预先存入的数据进行判断，当超出预设的范围时，管理主机会向从节点发送控制命令，对指定区域进行通风换气或者控制对应灌溉系统管道阀调节到最适宜作物生长；当需要查阅历史数据时，通过数据库管理功能，对所需数据进行统计，曲线显示或者并打印报表8。3.3.2 监控从节点的设计 监控节点的设计是系统的关键， 决定了采集蔬菜大棚参数的准确性和控制调节的有效性 。监控从节点主要分为蔬菜大棚内空气温湿度从节点和土壤水分监控从节点，都在同一个硬件平台上开发而成，根据不同的功能选择不同的模块即可实现。节点硬件主要由处理器STM32F103、温湿度传感器DHT11、土壤水分传感器SHT11、无线串口透传模块APC22043和供电管理单元组成，并辅以定点滴管系统和通风分机控制系统。节点硬件平台结构如图3.2所示9。 图3.2 节点硬件平台结构图4 系统硬件设计4.1 处理器STM32F103功能1、内核（1） ARM 32位的Cortex-M3（2） 最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）（3） 单周期乘法和硬件除法2、存储器（1） 从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103中的第二个X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）（2） 最大64K字节的SRAM3、内置SRAM （1） 多达20K字节的内置SRAM，多功能CPU能以0等待周期访问(读/写)。 （2） 内置嵌套的向量式中断控制器(NVIC) 嵌套式向量中断处理器是当CPU正在处理优先级较低的中段时，较高的优先级能提出申请处理，此时中断系统会做出较高优先级中断较低优先级中断源的措施，等待较高优先级中断处理完毕，在进行较低优先级中断的处理。此中断服务程序被中断的过程称作中断嵌套。STM32F103中内置中断控制器，包括16个Cortex M3系统异常、43个可编程中断通道和16个优先级10。（3） 分配中断向量的地址（4） 耦合链接接口（5） 较高优先级的中断处理（6） 中断链接功能（7） 处理器自动保存功能（8） 中断管理功能4、外部中断/事件控制器(EXTI) 外部中断需要组成一个32位寄存器，保证事件的顺利，优先级寄存器抢占优先级，响应优先子级，不同的优先级采用不同的中断通道数和优先级寄存器的个数也不相同，但是都有一个原则：保持高对齐、外部中断系统优先级的选择和寄存器维持所有中断请求。5、时钟和启动 系统时钟选择是硬件启动HIS RC振荡器和时钟控制寄存器，其时钟启动进行时，复位状态下当作用于系统时钟外部4-25MHz时时钟将发生故障，这时会被隔离并产生相应的中断。所以可以再次在分配一个时钟中断管理系统以避免当外部时钟失效11。6、电源管理（1） 2.0-3.6V供电和I/O引脚（2） 上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）（3） 4-16MHZ晶振振荡器（4） 内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器（5） 内嵌带校准的40KHz的RC振荡器（6） 产生CPU时钟的PLL（7） 带校准的32KHz的RC振荡器7、低功耗（1） 睡眠、停机和待机模式（2） Vbat为RTC和后备寄存器供电 （3） 睡眠模式 在睡眠模式，只有CPU停止，所有外设处于工作状态并可在发生中断/事件时唤醒CPU。（4） 停机模式 在保持SRAM和寄存器内容不丢失的情况下，停机模式可以达到最低的电能消耗。在停机模式下，系统内部会停止所有1.8V部分的供电，同时PLL、HSI和HSE的RC振荡器被关闭，调压器可以被置于普通模式或低功耗模式12。可以通过任一配置成EXTI的信号把微控制器从停机模式中唤醒，EXTI信号可以是16个外部I/O口之一、PVD的输出、RTC闹钟或USB的唤醒信号13。（5） 待机模式 在待机模式下可以达到最低的电能消耗。内部的电压调压器被关闭，因此所有内部1.8V部分的供电被切断；PLL、HSI和HSE的RC振荡器也被关闭；当系统进入待机模式后，SRAM和寄存器的内容将消失，但是系统后备寄存器的内容仍然保留，待机电路仍工作14。8、模数转换器（1） 12位分辨率，1MHz转换率（ADC时钟为16MHz时，最高转速时间为1us），多达26路输入通道和多达27个规则组，4个注入组。（2） 模数转换器针对规则转换和注入转换的外部触发事件设置，具有双采样和保持连续转换模式、省电模式、每个通道设置采样时间、数据的一致性、模拟看门狗的最高和最低限制、支持DMA等。（3） 转换模式采用四种转换模式：单通道下单次转换模式和连续转换模式，多通道下单次转换模式和连续转换模式。另外还有间断转换模式，将顺序转换的通道序列分割为各个子序列，规则组和注入都可设置为间断转换模式，但两者不能同时设置，因为间断模式只对单组有效。9、DMA（1） 2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道；（2） 支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART；（3） 多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)；（4） 26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一起映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号； 灵活的7路通用DMA可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输；DMA控制器支持环形缓冲区的管理，避免了控制器传输到达缓冲区结尾时所产生的中断。每个通道都有专门的硬件DMA请求逻辑，同时可以由软件触发每个通道；传输的长度、传输的源地址和目标地址都可以通过软件单独设置15。DMA可以用于主要的外设：SPI、I2C、USART、通用和高级定时器TIMx和ADC。10、调试模式（1） 串行单线调试（SWD)和JTAG接口（2） 多达8个定时器（3） 3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入（4） 1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器 实时时钟具有一组连续运行的计数器，可以通过适当的软件提供日历时钟功能，还具有闹钟中断和阶段性中断功能。RTC的驱动时钟可以是一个使用外部晶体的32.768kHz的振荡器、内部低功耗RC振荡器或高速的外部时钟经128分频。内部低功耗RC振荡器的典型频率为32kHz。为补偿天然晶体的偏差，RTC的校准是通过输出一个512Hz的信号进行。RTC具有一个32位的可编程计数器，使用比较寄存器可以产生闹钟信号。有一个20位的预分频器用于时基时钟，默认情况下时钟为32.768kHz时它将产生一个1秒长的时间基准。（5） 2个看门狗定时器（独立的和窗口型的） 独立的看门狗 独立看门狗是一个12位递减的寄存器，内部使用独立RC振荡器。硬件设施通过配置一旦启动硬件看门狗，那么就停不下来了，只能通过配置才能关闭看门狗。软件中没有中断功能，只要在计数器减到0之前，重新装载计数器的值，就不会产生复位。独立RC振荡器运用于独立主时钟，运行停机和待机模式被作为复位系统的管理者，当被当作用于发生问题时看门狗会复位整个系统或者管理应用程序。窗口看门狗窗口看门狗是一个7位递减计数器。软件中断系统作用在计数器达到下限时会产生中断，只有开启软件时，会有一个上限值，当这个上限值大于计数器初始值，系统将失去意义，然而当小初始值时，复位只有在计数值大于设定的计数值时进行重新装载，所以说计数值的上下限与你装载的计数值上下限对于系统起到关键性的作用，系统复位也有决定性作用16。11、系统时间定时器 这个系统定时器用于操作系统的专项操作，同时也可以作为一个标准的递减计数器。其功能特性如下：（1） 内置24位的递减计数器（2） 重新加载功能 （3） 可屏蔽的计数器为0中断 （4） 可编程时钟源 （5） 通用定时器(TIMx) STM32F103产品中内置了多达3个同步的标准定时器。每个定时器中都内置有一个16位自动加载递增或递减计数器、一个16位预分频器和4个独立通道，每个通道都有相同的作用，都具有信号输入捕捉、信号输出比较、PWM和单脉冲，同时在这些配置中最多可提供12个通道作用。并且还有能实现定时器连接和高级控制器能够共同工作的作用，使得事件能同步连接输出。只有在调试模式下每个定时器都有独立的DMA请求机制，都能产生PWM输出17。（6） 高级控制定时器(TIM1) 高级控制定时器(TIM1)作为一个可以看作一个分配到6个通道的三相PWM发生器，同时还可以看作一个完整的通用定时器。（7） 四个独立的通道可以用于：输入捕获；输出比较；边缘或中心对齐模式下产生PWM单项脉冲输出；反相PWM输出，该项功能具有程序可控制的死区插入功能，并配置的有为16位的标准定时器时，因它与TIMX定时器的具有拥有相同的功能。当系统配置有为16位PWM发生器时，它拥有的全调制能力(0100%)。同时在调试模式下，计数器将会被冻结。选用高级定时器的原因是该定时器的很多功能和标准的TIM定时器的内部结构相同并且可以协同的进行工作，整体性的同步协调事件的链接功能。 （8） 多达9个通信接口：2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)；3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制）；2个SPI接口(18M位/秒）；CAN接口（2.0B主动）；USB 2.0全速接口；12、计算单元CRC计算单元，96位的新批唯一代码13、封装ECOPACK封装184.2 传感器的选择及作用4.2.1 温湿度传感器DHT11介绍1、DHT11产品概述 DHT11数字温湿度传感器是一中具有内部校准数字信号输出的温湿度传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，是产品的的可靠性和稳定性有着极高的确保作用。传感器内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。具有这些特点所以该产品有着质量高、反应快、抗干扰能力强、并且性价比高等优点。每个DHT11传感器都在非常精密精确的温湿度实验室中进行准确的核对实验，核对都的数据存储在OTP内存中，因为在传感器检测信号处理时需要这些精确的数据系统。特有的单线串行接口，是的系统数据集合变得更加快速便捷。体积小的优势和耗能低，使得该类产品在特殊苛刻的坏境在也能起到应由的作用，成为了各类场合的最佳选择。该产品采用4针单排引脚封装，使用起来连接更为方便为用户提供简单方便的快捷服务。2、引脚说明 DHT11的引脚排列如图4.1所示：图4.1 DHT11引脚排列图电源引脚 DHT11的供电电压源为35.5V。温湿度传感器通电后，需要等待1s反应时间以渡过不稳定状态，所以在此反应时间内无需发送信号。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波19。引脚号引脚名称类型引脚说明 1VCC电源正电源输入，3V-5.5V DC 2Dout输出单总线，数据输入/输出引脚3NC空空脚，扩展未用 4GND地电源地电源引脚 DHT11的供电电压源为35.5V。温湿度传感器通电后，需要等待1s反应时间以渡过不稳定状态，所以在此反应时间内无需发送信号。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。 3、串行接口(单线双向) DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右, 用户MCU从开始发送第一次信号后，DHT11温湿度传感器会自动运转低功能耗损模式到高功能快速模式等待管理主机开始信号结束后，DHT11温湿度传感器发送信号响应信号，送出40bit的数据的同时开始进行第一次的信号采集功能，启动读取信号数据模式，当然如果从开始进行第一次的信号采集功能没有接收到管理主机发出的信号，DHT11不会主动进行温湿度数据采集，采集数据后转换到低速模式。4.2.2 土壤水分传感器SHT11介绍1、SHT11产品概述 本实验所选用传感器为SHT11土壤水分传感器。SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSensTM技术，更具有信号数字输出、免实验调试、免标准定数据、免外部电路及全互换的特点。 2、引脚说明 SHT11土壤水分传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，其引脚说明如下： （1） GND：接地端； （2）DATA：双向性串行数据线； （3）SCK：串行时钟输入； （4）VDD电源端：0.45.5V电源端；（58）NC：空管脚。3、SHT11土壤水分传感器的主要特性 SHT11土壤水分传感器的主要特性如下： （1）将土壤水分传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技术）； （2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；（3） 带有工业标准的I2C总线数字输出接口；（4） 具有露点值计算输出功能； （5） 具有卓越的长期稳定性； （6） 湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；（7） 小体积（7.65x5.08x23.5mm），可表面贴装；（8） 具有可靠的CRC数据传输校验功能；（9） 片内装载的校准系数可保证100%互换性; （10） 电源电压范围为2.45.5V; （11） 电流消耗,测量时为550A，平均为28A，休眠时为3A。4、SHT11土壤水分传感器内部结构及其工作原理 SHT11的土壤水分检测采用电容式结构系统，其特有的采用微型结构的不同保护检测电极系统与聚合覆盖物组成的传感器电容芯片，该系统结构除了保留电容式土壤水分电敏器件特点外，还具有抵抗外界自然因素的特点。由于它将温度传感器与土壤水分传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与土壤水分度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。COMSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11土壤水分传感器中每个传感器系统都是在精密精确的温湿度实验室中进行的。SHT11土壤水分传感器让做好的系统数据预先存储在OTP内存中。校准后的数据会和土壤水分传感器同一位14位A/D转换器连接，后会将转换的数据土壤水分值传输给二线器件，与此同时会将数字信号转换为合适的串行的数字信号。 该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能因为其将土壤水分传感器与电路部分结合在一起。首先由于传感器的信号加强了强度所欲传感器的抗干扰性也得到了加强，这些特点保证了传感器在长期工作下的性能稳定性，对于传感器的干扰噪声的敏感度问题则采用A/D转换可以解决。其次为了保证传感器的内部数据准确性在其内部装备了校准的数据系统是的每个土壤水分传感器具有相同的功能，既具有可换性。最后土壤水分传感器可直接通过I2C总线与不同类型的任何微处理器、微控制器系统链接，从而大大减少了接口电路的硬件成本，简洁化了接口方式。5 系统软件设计由于系统内的所有节点都工作在同一个频率上，为保证通信的可靠性，避免出现干扰或者阻塞，采用了以主节点为主导的轮询查询通信方式。5.1 传感器的信号传输下面我们先来看看DHT11的数据结构。DHT11数字湿温度传感器具有单总线数据格式。所谓的单线总数据格式既是单个数据端口可完成输出的双向性功能。其生成的数据包由5Byte（40Bit）组成。其数据包由小数部分和整数部分组，数据分传输为40bit，高位先出。DHT11的数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其中校验和数小数部分和整数据为前四个字节相加20。传感器数据输出的是未编码的二进制数据。数据(湿度、温度、整数、小数)之间应该分开处理。例如，某次从DHT11读到的数据如图5.1所示：图5.1 某次读取到DHT11的数据图由以上数据就可得到湿度和温度的值，计算方法：湿度= byte4 . byte3=45.0 (RH)温度= byte2 . byte1=28.0 ( )校验= byte4+ byte3+ byte2+ byte1=73(=湿度+温度)(校验正确)可以看出，DHT11的数据格式是十分简单的，DHT11和MCU的一次通信最大为3ms左右，建议主机连续读取时间间隔不要小于100ms。下面，我们介绍一下DHT11的传输时序。DHT11的数据发送流程如图5.2所示：图5.3 DHT11数据发送流程图首先主机发送开始信号，即：拉低数据线，保持t1（至少18ms）时间，然后拉高数据线t2（2040us）时间，然后读取DHT11的相应，正常的话，DHT11会拉低数据线，保持t3（4050us）时间，作为响应信号，然后DHT11拉高数据线，保持t4（4050us）时间后，开始输出数据。DHT11输出数字0的时序如图5.4所示：图5.4 DHT11数字0时序图DHT11输出数字1的时序如图5.5所示：图5.5 DHT11数字1时序图通过以上了解，我们就可以通过STM32f103来实现对DHT11的读取数据功能，并完成信号的传输对温湿度和土壤水分的自动智能管理程序。只有在检测到DHT11之后才开始读取温湿度值，并显示在LCD上，如果发现了DHT11，则程序每隔100ms左右读取一次数据，并把温湿度显示在LCD上。同样我们也是用DS0来指示程序正在运行。所要用到的硬件资源如下：（1） 指示灯DS0（2） TFTLCD模块（3） DHT11温湿度传感器这些我们都已经介绍过了， DHT11有4条腿，需要把U13的4个接口都用上，将DHT11传感器插入到这个上面就可以通过STM32来读取温湿度值了。连接示意图如图5.6所示：图5.6 DHT11连接示意图这里要注意，将DHT11贴有字的一面朝内，而有很多孔的一面朝外，然后然后插入如图所示的四个孔内就可以了。在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK战舰STM32F103开发板上，可以看到LCD显示开始显示当前的温度值（假定DHT11已经接上去了），如图5.7所示：图5.7 DHT11实验效果图5.2 从节点轮询查询通信方式软件流程 考虑到功耗和通信的可靠性问题，轮询查询的发起者为主节点，从节点会一直工作在接收数据模式，直到接收到主节点对其发出的指令，才进行工作模式转换。从节点的软件流程如图5.8所示。图5.8从节点轮询查询通信方式软件流程图从节点上电工作后，首先进行系统各功能模块的初始化，然后将无线通信模块的设置在接收数据模式，等待主节点发送的数据。当接收主节点发送的数据时，提取主节点的发送目标地址编码，并与自身的地址编码进行匹配：如果不是发给自己的就丢弃，继续等待接收数据；如果是发给自己的，就根据主节点的对应指令进行处理，处理完毕后将通信模块设置为发送数据模式，将数据打包并发送出去。为了节能，最后再把通信模式设置为接收模式。5.3 系统最大支持从节点个数 系统支持的最大节点数N与采集周期T需要满足关系为 N= T t+t （5-1） 其中， t为每个从节点与主节点之间的通信保护间隔，一般设置为50200ms；t表示每个从节点对主节点发送指令的处理时间。从式（1）可看出，系统支持的最大节点数N与采集周期T成正比关系，即当采集周期越大时，支持的节点数越多。 5.4 上位机管理软件 监控中心的主机上运行着专业的管理软件，在VisualStudio2013NET编程环境下开发，利用C#语言编写而成，运行在Window操作系统下；采用SerialPort串口控件实现了与主节点的串口通信，利用TeeChart绘图控件实现了数据的实时曲线显示，并使用Thread类完成了任务的多线程处理，采用数据库SQLServer2008存储接收到的温湿度、土壤含水率和设备状态参数等信息。管理软件具有用户权限管理、系统参数配置、节点管理、数据实时显示、曲线分析、历史数据查询、分析预测、报表统计打印、声光报警与日志管理等9。 管理主机通过USB接口直接与无线透传模块相连，接收来自各从节点的数据，并可下发控制指令。系统刚投入使用时，需要逐个添加从节点，并对每个接入系统的节点进行配置，包括节点命名、节点分类、串口波特率、无线频率、地址编码、数据的采集周期和报警上下限值等。节点被加入系统后，会在现实界面统一出现其运行状态和采集到的数据值，如果1页放不下，还会进行自动的滚动显示。在显示界面处选中节点，双击或者单击右键会弹出对话框，对话框里包括了该节点的所有参数，可以对其进行配置，显示该从节点所有配置参数，还有该节点的采集到的实时数据曲线；通过修改显示的日期时间段，会自动调用数据库数据，让历史数据再现，绘制出每天的均值、最大值和最小值的曲线图，并可生成月报打印输出，实现了人性化科学的管理方式21。结 论 本论文中设计的蔬菜大棚温室度和土壤水分自动智能管理系统,充分利用了处理器的各项功能结合温湿度传感器和土壤水分传感器获得蔬菜大棚内不同区域的空气温湿度和土壤含水率信息。管理主机以轮询查询方式实现了节点间的可靠通信，达到了超低功耗的效果。并缩短了管理主机和通信之间的距离,更有效的提高了通信效率,解决了因通信问题造成的数据丢失等一系列问题,同时系统的稳定性,工作强度高,效率快能准确地告诉我们蔬菜大棚内的一切情况, 实现了数据实时显示、统计分析、数据存储和自动智能调节等功能，对于促进作物增产增收及推进农业智能化进程具有极为重要的意义。 相信有了这项研究能大幅度的解放劳动人民的双手,提高农作物产能,让农作物在有限的人力条