基于STM32的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計①

張明月 賀福強 李思佳 何 昊

（貴州大學(xué)機械工程學(xué)院 貴州貴陽550025）

隨著社會的飛速發(fā)展，人民生活水平的不斷提升，人們對蔬菜質(zhì)量要求也越來越高。近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，大棚得到了廣泛的推廣應(yīng)用［1］，農(nóng)業(yè)逐漸步入現(xiàn)代化［2］。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚種植基地需要借助人工對農(nóng)作物環(huán)境狀況進(jìn)行定期管理，成本高、管理效率低下。物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得農(nóng)業(yè)大棚也朝智能化不斷改進(jìn)。以STM32作為主控單位［3］，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及移動通信與農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合，在實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集以及上傳顯示的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對農(nóng)作物環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)管控制，大大降低工作負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)種植逐漸向工業(yè)化、模塊化和多樣化方向發(fā)展。利用物聯(lián)網(wǎng)自動化系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行管理已經(jīng)成為必然趨勢。

1 系統(tǒng)概述

前期研究發(fā)現(xiàn)，影響農(nóng)作物生長的主要因素有光照強度、溫濕度、二氧化碳濃度、土壤以及施肥情況等。作物的不同生長時期，所需要的條件也不同，因此，設(shè)計智能大棚要科學(xué)，能實時采集監(jiān)控大棚內(nèi)部環(huán)境，遠(yuǎn)程調(diào)控大棚內(nèi)硬件設(shè)備，總結(jié)溫室大棚的功能需求。大棚系統(tǒng)布置的各類傳感器采集農(nóng)作物正常生長的環(huán)境參數(shù)，由ZigBee［4］組網(wǎng)上傳到用戶手機Android［5］，專家確定合理生長環(huán)境閾值，制定排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)、滴灌閥泵以及水簾泵的智能調(diào)控算法。若采集的環(huán)境參數(shù)超出閾值，通過STM32遠(yuǎn)程控制相關(guān)硬件設(shè)備，實現(xiàn)對排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)、滴灌閥泵以及水簾泵等設(shè)備的開關(guān)操控，平衡棚內(nèi)作物的生長環(huán)境。

系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。本文采用STM32開發(fā)板作為硬件部分主控單元，結(jié)合相關(guān)傳感器和硬件設(shè)備用于信息采集和相應(yīng)處理；軟件部分包括硬件設(shè)備智能調(diào)控算法與用戶APP端，結(jié)合ESP8266無線WIFI模塊用于遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)整體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

終端硬件結(jié)構(gòu)支撐農(nóng)業(yè)大棚，是實現(xiàn)智能大棚的基礎(chǔ)，軟件的正常運行離不開硬件系統(tǒng)的正確搭建。智能溫室大棚系統(tǒng)硬件設(shè)計負(fù)責(zé)采集溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，如光照強度、土壤以及空氣溫度濕度、二氧化碳濃度等，包括環(huán)境感知傳感器部分、WIFI模塊、ZigBee組網(wǎng)設(shè)備、排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)、滴灌閥泵以及水簾泵等設(shè)備。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

環(huán)境參數(shù)傳感器部分包括空氣傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器以及二氧化碳濃度傳感器系統(tǒng)等，主要用于棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測。硬件模塊設(shè)計的目標(biāo)是實時收集農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)備智能控制或通過APP端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以此維持棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定，為農(nóng)作物生長提供一個正常的環(huán)境。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框架圖

2.1 主控模塊

STM32F103VET6單片機是集成在芯片上的一個完整計算機系統(tǒng)，使用LQFP技術(shù)進(jìn)行封裝，共有100個引腳。工作頻率最高可達(dá)72 MHz，具有高性能32位RISC內(nèi)核，有兩條APB總線可以連接各種I/O串口和外圍設(shè)備以及高速嵌入式存儲器。滿足系統(tǒng)設(shè)計所需要的可擴展性、超低功耗、超高性能等特點。

2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度是影響作物生長的關(guān)鍵因素，也是系統(tǒng)硬件設(shè)備主要檢測的環(huán)境參數(shù)。空氣溫濕度傳感器采用的是Si7021［6］。該傳感器采用的是IIC接口，具有較好的穩(wěn)定性，而且傳感器最高支持400KHz的通信速率，傳輸速度快、延遲低。此外，該傳感器可實現(xiàn)精準(zhǔn)測控，0～100%RH和-40～125℃的溫度完全滿足設(shè)計要求，150μA低功耗和超小體積使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。土壤溫濕度采集采用485型土壤溫濕度傳感器，主要優(yōu)點是測量精度高，響應(yīng)快，在各種土質(zhì)中都可以穩(wěn)定工作，完全防水。0～100%RH和-40～80℃滿足設(shè)計要求。

2.3 光照強度檢測模塊

光照主要通過光合作用影響農(nóng)作物生長。相關(guān)研究表明，只有一定時間的光照才能產(chǎn)生有效的光合作用。光照是綠色農(nóng)作物生長所必須的條件，因此要對棚內(nèi)光照強度進(jìn)行實時監(jiān)測。采用GY-30光強傳感器模塊，是基于IIC通信的數(shù)字模塊，內(nèi)部以BH1750［7］光強感應(yīng)芯片為核心，能更好地保持穩(wěn)定性，同時還節(jié)約功耗。

2.4 二氧化碳濃度檢測模塊

農(nóng)作物通過光合作用獲取能量進(jìn)行生長發(fā)育，而二氧化碳作為光合作用必要條件，其濃度影響農(nóng)作物是否可以正常生長。選用MH-Z14A二氧化碳?xì)怏w傳感器，具有很好的適用性，硬件壽命長，使用方便，默認(rèn)二氧化碳量程為0～5 000 ppm，精確度較高（誤差在50 ppm內(nèi)）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。智能溫室大棚需要根據(jù)專家種植經(jīng)驗設(shè)定農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)閾值，制定排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)、滴灌閥泵以及水簾泵的智能調(diào)控算法。根據(jù)各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對相關(guān)硬件設(shè)備開關(guān)的控制。通過ZigBee組網(wǎng)與WiFi模塊將采集的環(huán)境參數(shù)上傳到用戶軟件端，方便對大棚的精準(zhǔn)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計圖

3.1 設(shè)備端軟件設(shè)計

Keil uVision5是Keil Software公司設(shè)計的軟件開發(fā)系統(tǒng)。既能在C語言環(huán)境上進(jìn)行開發(fā)研究，也能夠完成仿真調(diào)試、宏管理功能模塊，為單片機系統(tǒng)提供運行基礎(chǔ)。STM32F103VET6程序均基于該軟件完成。將各類傳感器編譯好的子函數(shù)模塊進(jìn)行封裝，編寫主函數(shù)，實現(xiàn)模塊化處理。

智能大棚系統(tǒng)利用ZigBee組網(wǎng)和ESP 8266［8］WiFi模塊建立通信網(wǎng)絡(luò)，將棚內(nèi)各類傳感器模塊不同類型的傳感器節(jié)點添加到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，建立整個系統(tǒng)的無線通信傳輸模式。將各類傳感器模塊、相關(guān)件設(shè)備連接到STM32模塊，命令信號通過單片機的串口控制傳感器實時采集數(shù)據(jù)，控制相關(guān)硬件設(shè)備進(jìn)行工作。

3.2 手機端軟件設(shè)計

手機端軟件為工作人員提供一個簡單易上手的大棚監(jiān)控管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控以及對相關(guān)制動設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)控。軟件功能模塊包括：用戶管理模塊，包括管理人員的系統(tǒng)登錄、用戶信息查詢、修改操作。信息顯示模塊，實時顯示各類傳感器采集的棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)（如土壤、空氣溫濕度等）。設(shè)備控制模塊，管理人員可通過該模塊對排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)等相關(guān)的硬件設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。手機端APP軟件功能模塊如圖4所示。

圖4 手機端軟件功能模塊圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 硬件功能測試

農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)使用STM32作為核心控制元件，將系統(tǒng)所需的各類傳感器按照系統(tǒng)硬件設(shè)計電路邏輯圖進(jìn)行連接，利用Keil uVision5［8］開發(fā)平臺進(jìn)行編譯調(diào)試，以保證實現(xiàn)所需功能。根據(jù)設(shè)計好的電路邏輯圖，將智能大棚所需要的傳感器元件連接起來，檢測元件規(guī)格是否正確，檢查端口是否出現(xiàn)故障，保證系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)設(shè)計設(shè)置的溫度、濕度范圍為一般農(nóng)作物常用值，不同農(nóng)作物生長環(huán)境不同。預(yù)設(shè)值可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整［9］。

為保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)測試，將傳感器安裝在實驗室的不同位置，以保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的完整性。利用加熱、加濕裝置進(jìn)行環(huán)境變換，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與溫度儀表采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。對比結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1可以看出，本系統(tǒng)的溫度傳感器與工業(yè)儀表測量的溫度誤差范圍在0.2℃以內(nèi)，濕度誤差范圍為0.5%～1.2%。誤差都在正常合理范圍，可知傳感器采集的數(shù)據(jù)可靠。

表1 數(shù)據(jù)對比表

4.2 手機端測試

完成調(diào)試后，利用Android Studio［10］編譯設(shè)計APP安裝到手機端，打開軟件，發(fā)送指令，根據(jù)手機端發(fā)出的指令類型，觀察系統(tǒng)核心元件驅(qū)動相應(yīng)的外部設(shè)備是否按照指令運作。同時，檢測有無獲取溫度、濕度等命令，觀察APP端是否收到相應(yīng)的反饋信息，如溫濕度等。如果指令未響應(yīng)或返回信息失敗，則檢查硬件電路連接，修改相應(yīng)代碼，按相關(guān)指令進(jìn)行操作與返回結(jié)果。

4.2.1 用戶管理模塊測試

系統(tǒng)的用戶管理模塊［11］設(shè)計是為了防止非管理人員操作系統(tǒng)，影響作物正常生長，保障智能大棚系統(tǒng)安全。當(dāng)管理人員將用戶名和密碼輸入到系統(tǒng)登錄頁面后，點擊登錄就擁有權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)主界面，查看棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。用戶登錄界面如圖5所示。

圖5 用戶登錄界面圖

4.2.2 信息顯示模塊測試

信息顯示模塊界面的設(shè)計是用于顯示各類傳感器實時收集到的棚內(nèi)農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)。棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集具有周期性，實現(xiàn)智能化采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并將實時采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee組網(wǎng)和WiFi模塊上傳到控制軟件開發(fā)平臺，在界面上進(jìn)行顯示。信息顯示模塊如圖6所示。空氣溫濕度顯示入圖7所示。

圖6 信息顯示界面圖

圖7 空氣溫濕度顯示界面圖

4.2.3 遠(yuǎn)程控制模塊測試

智能大棚系統(tǒng)的控制可分為自動控制和手動控制兩種。若開啟自動控制狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)置的環(huán)境參數(shù)閾值有選擇性地對相關(guān)硬件設(shè)備（如排風(fēng)機、遮陽網(wǎng)、滴灌閥泵等）進(jìn)行開關(guān)操作。若選擇手動控制狀態(tài)，則通過控制手機APP端設(shè)計的按鈕對各設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。則控制模塊界面如圖8所示。

由測試結(jié)果可得，物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚可以較精確地采集農(nóng)作物環(huán)境數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送到手機端便于管理人員進(jìn)行監(jiān)控，穩(wěn)定性與實時性良好，并且根據(jù)光照強度，溫濕度狀況選擇是否運行環(huán)境控制設(shè)備，從而達(dá)到溫室大棚環(huán)境的自動調(diào)整。

圖8 遠(yuǎn)程控制界面圖

農(nóng)業(yè)溫室數(shù)據(jù)采集技術(shù)是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要環(huán)節(jié)［12］，經(jīng)實地調(diào)查和仔細(xì)研究，設(shè)計基于單片機技術(shù)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集農(nóng)作物環(huán)境信息，并監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)作物健康成長。通過系統(tǒng)測試，證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用方便智能，有效節(jié)省了人力物力。