乔军航 刘忠超
（南阳理工学院智能制造学院，河南 南阳 473004）
数据显示，我国多年来蔬菜温室种植面积和产量已居世界第一。但是我国温室的智能化程度不高，主要监控设备还需从国外进口，成本较高。因此，本文提出一种基于微信小程序的智能温室监控系统设计方案，可以实现在微信小程序端对温室环境信息进行实时监控，当温室环境超过设置的阈值时，通过STM32 单片机反馈调节，改善温室环境，实现有效控制，进而使温室环境符合作物的生长要求。
1 智能温室监控系统总体设计
智能温室监控系统主要在微信小程序端实时显示温室内温湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据信息，当温室内环境信息超过设定的阈值时，温室控制器STM32 发出调节指令，进行反馈调节，使得温室环境适合作物生长。
系统分为温室信息采集端、反馈调节端和远程接收信息端[1]。采集端主要实现对温室内温湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据的采集；反馈调节控制器主要实现对温室的加热和加湿、降温和除湿及光照补偿；远程接收信息端主要是将各类传感器获取的数据信息通过ESP8266 WiFi 模块推送给腾讯云平台，实现小程序端实时检测温室信息。智能温室监控系统总体结构如图1 所示。
图1 智能温室监控系统总体结构图
2 系统硬件设计
系统的信息采集端、反馈调节端和信息接收端主要由STM32F103 单片机控制。系统进行信息采集时，DHT11 温湿度传感器通过单总线双向串行通信方式传输数据到采集端[2]，CCS811 二氧化碳传感器和BH1750FVI 光照强度传感器通过IIC 总线将采集的数据发送至采集端，数据采集完成后，采集端将检测的信息发送给ESP8266 WiFi 模块，然后由ESP8266 WiFi 模块将消息推送到腾讯云平台[3]，最终实现在小程序端实时显示数据。若采集端采集的数据超过设定的阈值时，蜂鸣器报警，主机STM32 控制相应的模块进行反馈调节。
2.1 控制器模块
智能温室监控系统主微控制器选用STM32F103RCT6 单片机，该单片机是32 位嵌入式微控制器，内部集成含有定时器，速度为72MHz，ADC 模数采样[4]，能够满足设计要求。
2.2 温湿度传感器模块
DHT11 温湿度传感器采用单排引脚封装，内部包含1 个NTC 测温元件和电阻式感湿元件，输出信号为数字信号，可灵活方便地与单片机连接[5]。温湿度传感器实物图及接口电路引脚图如图2 所示。
图2 温湿度传感器实物图及接口电路引脚图
2.3 二氧化碳浓度传感器模块
CCS811 二氧化碳传感器是一种超低功率微型气体传感器，内部具有微控制器，可以调节传感器的驱动模式，并测量有关气体。微控制器STM32F103RCT6 和CCS811 使用IIC 接口通信[6]。实物图及接口电路引脚图如图3 所示。
2.4 光照强度传感器模块
BH1750FVI 光照传感器是一种数字化光照强度传感器，当光敏二极管检测到外部光照后会产生一定的电流，再通过运放将电流转换为电压信号，电压信号再经模数转换器ADC 转化为数字信息，通过逻辑运算器完成光强度计算，最后通过IIC 接口电路将信息传给主控芯片STM32[7]。实物图及接口电路引脚图如图4 所示。
图4 光照传感器实物图及接口电路引脚图
2.5 报警模块
报警系统采用低电平触发的有源蜂鸣器，采用直流供电，经过振荡系统放大，在谐振装置作用下，发出报警。蜂鸣器实物图及接口电路引脚图如图5 所示。
图5 蜂鸣器实物图及接口电路引脚图
2.6 反馈调节设备
智能温室监控系统设计除了对温室环境信息进行检测外，还需对温室环境进行调节，使得温室环境适合作物生长。系统设计的反馈调节有光照补偿、降温除湿和加热加湿。
光照补偿采用3W 暖白LED 灯，工作时该模块正极输入高电平，负极接地，LED 灯就自动亮起。当光照强度低于20lux/m2，系统报警并启动LED 灯进行光照补偿。光照补偿实物图如图6所示。
图6 LED 暖光灯实物图及接口电路引脚图
降温除湿采用L9110 电机驱动模块，L9110 是控制和驱动电机设计的两个通道推挽式功率放大用的集成电路芯片，是将分立电路集成在一块IC 之中的芯片，这样使外围的器件成本降低，整机的可靠性提高很多[8]。L9110 电机驱动实物图如图7 所示。
图7 L9110 电机驱动实物图及接口电路引脚图
加热和加湿通过继电器控制，即继电器控制外接的加热器和加湿器，使系统的温湿度达到设定范围，促进作物生长。继电器实物图如图8 所示。
图8 继电器实物图及接口电路引脚图
2.7 通信模块
STM32 与腾讯云通信通过ESP8266 模块，ESP8266 模块采用串口与单片机通信，内置TCP/IP 协议栈。利用ESP8266 模块对传统串口设备进行简单的串口配置，即可将数据通过WiFi 传输给上位机，实现物联功能[9]。ESP8266 WiFi 模块实物图如图9所示。
图9 ESP8266 WiFi 模块实物图
3 系统软件设计
3.1 系统主程序设计
智能温室监控系统主程序流程图如图10 所示。系统工作时，首先系统初始化，使各个模块进入工作状态。单片机控制传感器采集温室环境信息，并转化为数据，然后对所采集的数据在小程序上进行显示，若采集的数据超过设定的阈值时，单片机控制蜂鸣器报警，并发出控制指令进行反馈调节，及时改变温室环境满足农作物的生长，从而提高农业生产的经济效益。
图10 系统主程序流程图
3.2 主机与腾讯云平台通信
上位机是基于腾讯云平台[10]设计的小程序，要实现在小程序内实时显示温室相关信息，需要将主机STM32 与腾讯云平台通信，即主机STM32 将检测到的信息发送给ESP8266 WiFi 模块，然后ESP8266 WiFi 模块将消息推送到腾讯云平台，实现小程序实时显示数据。ESP8266 WiFi 模块与腾讯云平台通信程序设计流程图如图11 所示。
图11 ESP8266 与腾讯云通信程序设计流程图
3.3 小程序界面设计
在腾讯云平台选取合适的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度显示控件，进行配置。配置完成后进行画面设计，小程序监控画面如图12 所示。
图12 小程序显示界面
4 系统功能测试
4.1 系统功能测试
智能温室监控系统实物图如图13 所示，将系统调试后，进行功能测试。系统的各个传感器可以进行正常采集数据，小程序界面可以实时显示所采集的数据，报警及反馈调节正常工作。
图13 智能温室监控系统实物图
4.2 结果分析
系统上电后，小程序界面可以实时显示数据，对系统进行测试。通过对系统测试，试验成功率为100%，因此系统的功能是稳定的，能够达到设计任务的要求。
5 结论
基于微信小程序的智能温室监控系统以STM32 单片机为控制核心，采用DHT11 温湿度传感器、CCS811 二氧化碳浓度传感器和BH1750FVI 光照强度传感器检测温室环境信息，在微信小程序端实时显示温室环境信息，利用蜂鸣器进行报警，通过LED 灯进行光照补偿、L9110 电机驱动风扇降温除湿和继电器控制加热加湿。该系统能够实现温室环境的智能检测，进而及时改善温室环境满足农作物的生长，提高农业生产的经济效益。
