果蔬贮存库微机监控设计

果蔬贮存库微机监控设计

程振 张超 杨莹 陈健

宿州学院 机械与电子工程学院 安徽 宿州 234000

摘要：我国种植业发展迅速，果蔬的产量规模也非常庞大，但在贮存的环节上往往会出现很多问题。因此，现代化管理中就出现了微机监控系统，在保证各种果蔬类产品的质量、减少果蔬损耗等方面发挥了巨大的作用。基于STM32单片机的果蔬微机监控设计采用了自动化控制技术，利用温湿度传感器和气体传感器对贮存环境进行监测，主控处理数据，然后通过无线模块NRF把数据传输到接收器上显示出来。通过采用摄像头传感器，可以实时监测贮存库中的各项情况。如果数据出现异常，则报警系统启动，从而及时的采取防护措施。

关键词：STM32单片机；传感器；图像传输；报警系统

1 引言

随着种植业的迅速发展，产品规模的提高，许多储存果蔬的场所对环境CO2浓度、温度、湿度有严格的控制要求。在政府以及市场的引导下，果蔬贮存库也将向规范化发展的方向迈进，逐步淘汰不符合节能减排的措施，使可持续发展的战略要求日益成熟化。现代化管理中的微机监控系统，在保证各种果蔬类产品的质量、减少果蔬损耗等方面发挥了巨大的作用。本项目设计一款集温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、摄像头传感器为控制输入端，对贮存环境进行监测，通过无线模块发送数据并采集贮存库图像反馈到LCD屏上显示，数据异常会进行报警提示。^[2]

2 基本原理

本设计集摄像头模块、温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、LCD液晶显示模块、无线传输模块，分别连接在STM32单片机最小系统上，因此成员需要熟练掌握各种传感器的使用，本系统需要使用5V电源供电，因此需要设计一个电路来给STM32单片机供电。温度、湿度检测与二氧化碳浓度检测均采用集成的传感器设备，利用单片机IO口进行 A/D 转换将环境的物理信息转换为电压信息，通过单片机内部 A/D 转换器并经过算法处理，得到当前环境的温度、湿度与二氧化碳浓度。如果采集到的数据没有达到设定的阈值，会自动启动报警装置提醒工作人员采取相应措施。^[1][3]

3 模块原件介绍

3.1 LCD液晶显示模块

显示模块采用LCD液晶屏幕显示，该模块可以使用SPI或者IIC两种通信协议的方式进行数据和图像传输。液晶显示器具有低功耗，画面柔和不伤眼等优点，而且辐射低、易于携带和安装，更适合作为数据和图像的显示。

3.2 OpenMV摄像头传感器

图像传输选用5.8G图像传输技术TS835模块，传输距离可达2公里远，而且小巧灵活能够很容易的监测贮存库中的情况，并且回传画面清晰，因此可以通过观察远程回传的图像来对贮存库的环境进行监测。OpenMV是一个开源、低成本、功能强大的机器视觉模块。以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口。OpenMV上的机器视觉算法包括寻找色块、人脸检测、眼球跟踪、边缘检测、标志跟踪等。可以用来实现非法入侵检测、产品的残次品筛选、跟踪固定的标记物等。使用者通过编写Python代码，即可轻松的完成各种机器视觉相关的任务。用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口，不需要C语言知识，便于开发。使用此类摄像头传感器可以和STM32单片机结合完成项目要求。

3.3 NRF24L01模块

采用NRF24L01模块作进行无线传输，该模块属于半双工模块。使用SPI协议进行通信，该协议数据支持最大10M传输速度相比与普通的IIC协议速度更快，而且该模块工作电压低，功耗也很低，我们通过此模块把数据发送到单片机进行数据处理。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。拥有极低的电流消耗，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。能够满足项目功能要求。

图一 NRF24L01 模块实物图

3.4 DHT22温湿度模块

DHT22数字温湿度传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。该产品具有品质卓越、超快响应校验室中进行校准。DHT22是单总线通信的，驱动它只需三根线：电源线、信号线和地线，因此其电路也很简单，符合本设计的功能要求，能够很好的监测果蔬贮存库内的温湿度，从而实时显示在LCD液晶屏上。

图二 DHT22温湿度模块实物图

3.5 SGP30气体传感器

SGP30模块是数字多像素气体传感器，采用数字处理技术，在单片上提供完整的传感器系统，包括数字I2C接口，温度控制的微加热板和两个预处理室内空气质量信号，从而提供更多空气质量的更详细信息。SGP30模块是一款在单一芯片上集成多个传感元件的金属氧化物气体传感器，可提供空气质量的详细信息，如二氧化碳浓度和具有挥发性有机化合物的含量。采用SGP30气体传感器进行监测果蔬贮存库内的二氧化碳气体浓度，能够对室内气体的含量进行很好的观察，如果含量超标，能够及时做出反应，便于工作人员采取相应的保护措施。

4 系统设计

4.1 主控电路

主控电路采用STM32单片机，采用 USB 接口线5V 电源供电：充电宝、充电器USB 接口等均能满足设计电源的需求。此外，该单片机具备 144个并行 IO 端口，设计端口数量也足以满足设计需求，无需外扩 IO 端口，节省了成本、降低了设计的难度。最小系统是整个系统的大脑，最小系统正常运行是实现系统功能的前提条件。此外，晶振电路设计必不可少，它能够产生单片机需要的信号。

4.2 电源电路

系统电源电路主要是由 DC 接口、拨码开关、电阻以及电源指示灯组成。系统整体所需要的 5V 电源由外部电源提供，DC 接口联接 USB 电源线，再通过 USB 电源线连接外部电源。采用 USB 接口线5V 电源供电：充电宝、充电器USB 接口等均能满足设计电源的需求，也可采用锂离子电池作为移动电源，并设计出可充电接口和电源变换电路，以此来完成充电与其他模块的供电功能。

4.3 整体电路

整体电路使用5V电源供电，使用各种集成模块分别连接在STM32单片机最小系统上。采用DHT22数字温湿度传感器作为温湿度检测装置，采用SGP30气体传感器模块检测贮存室内的CO2浓度，采用摄像头模块监测贮存室内的情况。采用LCD液晶作为数据显示模块，可以自行设定各项指标的阈值在液晶屏上显示；使用无线模块将检测的数据发送给用户，并可以使用无线模块远程操控；使用无源蜂鸣器和彩色LED作为报警装置，当空气中的指标不在阈值范围内会自动启动报警装置。

5 数据传输与处理

温度、湿度检测与二氧化碳浓度检测均采用集成的传感器设备，利用单片机IO口进行 A/D 转换将环境的物理信息转换为电压信息，通过单片机内部 A/D 转换器并经过算法处理，得到当前环境的温度、湿度与二氧化碳浓度。如果采集到的数据没有达到设定的阈值，会自动启动报警装置提醒工作人员采取相应措施。对室内各项指标进行数值采集、通过无线模块发送数据到LCD液晶屏显示、定时监测工作状态等多种功能。考虑到系统所安装的环境影响因素比较多，且摄像头监测经常会因环境情形变化而不稳定，在设计过程中要充分考虑系统抗干扰问题，需要对图像采集、图像处理、数据传输控制进行抗干扰处理。

6 系统程序设计

将各种传感器连接到STM32主控芯片上，使用OpenMV摄像头进行室内图像的采集，采集贮存库温湿度数据，采集贮存库二氧化碳浓度数据，并对数据进行处理。经NRF24L01无线模块发送数据，实时显示在LCD液晶显示模块上。设定采集数据的阈值，监测贮存库内各项数据的变化是否达到设定的阈值，数据不达标就会触发报警系统，便于工作人员快速采取相应的安全措施。^[4]

结束语

系统设计通过多种传感器与主控芯片结合，对贮存库进行监测，通过观察处理后的数据和图像能够及时采取相应的安全保护措施。在保证各种果蔬类产品的质量、减少果蔬损耗等方面发挥了巨大的作用。同时减少了人力物力的投入，且能够产生丰厚的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 徐爱钧.单片机原理实用教程.电子工业出版社，2011

[2] 农业温室大棚温湿度检测系统设计[J].杨光.科技风.2019(06)

[3] 王雪文.传感器原理及应用[ M ].北京：北京航空航天大学出版社,2009

[4] 张琳娜.传感检测技术及应用[ M ]．中国计量出版社，1999

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