基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，目前在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式依然普遍存在，缺乏高效的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境不能準(zhǔn)確及時(shí)掌握，同時(shí)無法為農(nóng)作物提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境。種植方式過度依賴經(jīng)驗(yàn)，比如過度使用化學(xué)肥料，除造成農(nóng)作物產(chǎn)量偏低外，還會(huì)使生態(tài)環(huán)境受到破壞。與此同時(shí)，我國(guó)人口老齡化嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)種植勞動(dòng)力大大減少，如何對(duì)土地資源進(jìn)行高效利用、投入較少人力物力、降低農(nóng)作物種植成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量?jī)?yōu)、產(chǎn)量高的可持續(xù)發(fā)展種植策略是目前農(nóng)業(yè)種植中面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)以上問題，本文主要設(shè)計(jì)一種基于STM32 的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、用戶終端、外設(shè)4 個(gè)部分組成。通過空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度及氮磷鉀含量、土壤PH 值傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過手機(jī)APP 或者PC 端直觀查看環(huán)境的變化同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的外設(shè)調(diào)控。

1 系統(tǒng)主要功能

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能如圖1 所示，包括各類傳感器、顯示屏、控制器及系統(tǒng)軟件等組成部分。系統(tǒng)綜合利用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，通過顯示屏顯示基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可通過手機(jī)APP或PC 端，實(shí)時(shí)觀測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，并根據(jù)系統(tǒng)提供的最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境，遠(yuǎn)程控制農(nóng)業(yè)外設(shè)，持續(xù)為農(nóng)作物生產(chǎn)提供最優(yōu)生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植智能化管理，農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全產(chǎn)出。

圖1系統(tǒng)功能圖

2 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件包括STM32F407，CC2530，F(xiàn)ibocom L610，BH1750 光照強(qiáng)度傳感器，DHT11 溫濕度傳感器，土壤pH 傳感器，土壤溫濕度氮磷鉀傳感器。RT-Thread 版本：RT-Thread Nano 3.1.3。開發(fā)工具及版本：MDK 5.27STM32CubeMx RT-Thread 使用情況概述：內(nèi)核部分包括調(diào)度器、信號(hào)量、線程。 調(diào)度器：創(chuàng)建多個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)不同的工作。

線程：uart2_rx_thread_entry和led_thread_entry uart2_rx_thread_entry 線程接收到串口2 中斷回調(diào)函數(shù)釋放的信號(hào)量后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并上傳至阿里云；led_thread_entry 線程使LED 間隔1 秒閃爍，提示系統(tǒng)正在運(yùn)行。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、STM32F407 通訊網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器五部分組成。終端節(jié)點(diǎn)以CC2530 為核心通過傳感器采集空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀含量以及土壤pH 值數(shù)據(jù)信息并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到路由器，再經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器^[2]，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給STM32F407通訊網(wǎng)關(guān)，STM32F407 通訊網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)匯總，解析，打包，在LCD 上顯示采集到數(shù)據(jù)，并通過GPRS 上傳數(shù)據(jù)至阿里云IOT 平臺(tái)，阿里云IOT 平臺(tái)將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務(wù)端訂閱轉(zhuǎn)發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，形成“采集—顯示—控制”于一體的閉環(huán)控制模式^[2]。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要包括傳感器和電源模塊。系統(tǒng)電源模塊組成為鋰電池組結(jié)合太陽(yáng)能版，可以最大限度節(jié)約能源^[3]。太陽(yáng)能版可以為設(shè)備持續(xù)供電，供電支撐不足的情況，可通過對(duì)鋰電池充電，確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)農(nóng)作物種植環(huán)境的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集主要通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)，采集不同農(nóng)作物種植環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)^[3]。本系統(tǒng)主要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)包括空氣溫度、空氣濕度、土壤氮磷鉀、光照度、土壤濕度、土壤溫度、土壤PH 值等。以下為本系統(tǒng)包含的傳感器類型^[10]。

3.1.1 空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度傳感器使用DHT11 型號(hào)，他的工作原理是把空氣中的溫濕度通過一定監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)量到溫濕度以后，按一定的規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出。溫濕度傳感器的測(cè)量必須在允許頻率范圍內(nèi)同時(shí)保持測(cè)量條件不失真，被測(cè)量的頻率范圍會(huì)受頻率響應(yīng)特性影響，傳感器響應(yīng)時(shí)間會(huì)有一定延遲，其頻率響應(yīng)越高，實(shí)際可測(cè)量的信號(hào)頻率范圍也就越寬。在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量中，依據(jù)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，避免產(chǎn)生誤差。

3.1.2 光照傳感器

光照傳感器使用BH1750 型號(hào)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括運(yùn)算放大器、光敏二極管、晶振、ADC 采集等部分。電路工作原理：如圖2 所示，光信號(hào)輸入以后，經(jīng)過PD 二極管產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，最后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大，產(chǎn)生的電壓被ADC 模塊采集，再經(jīng)過邏輯電路轉(zhuǎn)成可直接在內(nèi)部寄存機(jī)存儲(chǔ)的十六位二進(jìn)制^[3]。電壓和光強(qiáng)度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說當(dāng)進(jìn)入光窗光強(qiáng)度越大時(shí)，光電流和電壓也會(huì)越大，他們不成完全正比關(guān)系，但是我們可以通過電壓的大小計(jì)算光照大小^[3]。BH1750 引出時(shí)鐘、數(shù)據(jù)線，STM32 與傳感器通訊主要通過I2C 協(xié)議，從BH1750 寄存器中讀取光照度數(shù)據(jù)^[3]。

圖2 BH1750電路工作原理

3.1.3 土壤溫濕度及氮磷鉀傳感器

土壤濕度傳感器采用型號(hào)MC-4IN1，該類型的傳感器既可以監(jiān)測(cè)土壤溫濕度，也可以監(jiān)測(cè)土壤中的電導(dǎo)率、鹽分、氮、磷、鉀等數(shù)據(jù)。工作原理是利用熱敏及濕敏電阻來測(cè)量土壤溫濕度^[6]。進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，熱敏電阻值隨土壤溫度變化，通過測(cè)量電阻值進(jìn)而測(cè)量土壤溫度。濕度測(cè)量時(shí)，濕敏電阻值隨土壤濕度變化，通過測(cè)量電阻值進(jìn)而測(cè)量土壤濕度。由于其工作原理是基于電阻值變化，因此需使用專門電路處理，包括放大器、濾波器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器等，將采集到的土壤溫濕度以數(shù)字量形式輸出到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換進(jìn)行顯示，電路圖如圖3 所示^[6]。

圖3 MC-4IN1電路圖

監(jiān)測(cè)氮磷鉀的工作原理是將測(cè)量的電導(dǎo)率值乘以相應(yīng)系數(shù)得出氮、磷、鉀含量值，傳感器為探針式，使用方便，且防水、防腐蝕性能好，探針可長(zhǎng)時(shí)間埋入土壤進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)^[6]。通過檢監(jiān)測(cè)壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤肥沃程度，方便對(duì)土壤養(yǎng)分情況進(jìn)行評(píng)估，電源接口為寬電壓，電源輸12~24 V 均可。

3.1.4 土壤pH值傳感器

土壤pH 傳感器采用型號(hào)OSA-60，它的工作原理是，硬件系統(tǒng)的核心是金屬傳感器，傳感器的電極直接接觸被測(cè)土壤，通過氧化還原化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，對(duì)電流值進(jìn)行分析分段，驅(qū)動(dòng)電流表顯示對(duì)應(yīng)pH 值數(shù)據(jù)。通過主機(jī)轉(zhuǎn)換，以數(shù)值的形式進(jìn)行結(jié)果顯示。土壤pH傳感器的測(cè)量區(qū)域一般為：以兩探針中央為中心，直徑為125 px，與探針等高的圓柱體內(nèi)。測(cè)量范圍一般為：pH=3~8。常用測(cè)試方法有2 種，一是速測(cè)法，選定需要測(cè)量的地塊，挖開到需測(cè)量的深度，避開堅(jiān)硬物體，將鋼針直插入土壤中，在被測(cè)土地的不同位置進(jìn)行多次測(cè)量取平均值。二是埋地測(cè)量法，挖1 個(gè)直徑>20 cm的深坑，將鋼針?biāo)讲迦肟颖冢盥穹€(wěn)定一段時(shí)間后，即可對(duì)土壤pH 值進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量。

3.2 ZigBee無線通信模塊

數(shù)據(jù)采集完成以后，通過ZigBee 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 基于IEEE802.15.4 進(jìn)行通信，是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，適和應(yīng)用到距離短、速率低、功耗低的場(chǎng)所，工作頻段可分為：868 MHz、915 MHz、2.4 GHz，網(wǎng)絡(luò)傳輸舉例最短10 m 最長(zhǎng)100 m，最高數(shù)據(jù)速率為250 kbit/s^[1]。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的3 類硬件支撐包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端，協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的建立和初始化，ZigBee 結(jié)構(gòu)中使用唯一協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收外部設(shè)備數(shù)據(jù)信息^[1]。新節(jié)點(diǎn)加入和已有節(jié)點(diǎn)退出必須經(jīng)過路由器關(guān)卡允許，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，有時(shí)也可作為過渡節(jié)點(diǎn)使用^[1]。終端節(jié)點(diǎn)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，同級(jí)終端之間不允許直接通信，但是可以借助路由器或者協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信^[1]。

星型、網(wǎng)型、樹型是常見的3 種ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[1]。星形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心^[1]，外圍分布若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通行鏈路單一，協(xié)調(diào)器出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障。樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪^渡節(jié)點(diǎn)-- 路由器節(jié)點(diǎn)、其他路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)，復(fù)雜度低便于維護(hù)^[1]。MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中路由器間可直連通信^[1]，這種結(jié)構(gòu)靈活性高，部分傳輸鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，其他路徑自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送通信^[1]，保障網(wǎng)絡(luò)暢通。

本系統(tǒng)選用的是MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4 所示，這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)的分層互通，結(jié)構(gòu)搭建容易且便于維護(hù)，同時(shí)最大程度擴(kuò)大監(jiān)測(cè)面積^[1]。依據(jù)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有唯一地址，包含64 位物理地址及16 位網(wǎng)絡(luò)地址兩種設(shè)備地址^[1]。本系統(tǒng)選用CC2530 單片機(jī)的物理地址，可通過數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行查看。熟知每個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址，若單設(shè)備出現(xiàn)異常^[1]，可通過網(wǎng)絡(luò)地址快速鎖定出現(xiàn)故障節(jié)點(diǎn)，方便無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行及維護(hù)^[1]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、PC 監(jiān)測(cè)管理3 個(gè)部分組成，具體功能如下。

4.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器軟件是整個(gè)數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)重要部分，在整個(gè)系統(tǒng)中扮演網(wǎng)關(guān)的角色，使用ZigBee 無線通信，與CC2530 數(shù)據(jù)處理器芯片組合。硬件端采集到所有環(huán)境數(shù)據(jù)后，按照協(xié)議將所有數(shù)據(jù)封裝成包。并將這些數(shù)據(jù)包上傳到阿里云IOT 平臺(tái)。上傳到服務(wù)器時(shí)采用的協(xié)議是MQTT 協(xié)議；阿里云IOT 平臺(tái)將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務(wù)端訂閱轉(zhuǎn)發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的后端服務(wù)器；智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的后端服務(wù)器按照規(guī)則完成數(shù)據(jù)包的解析，并將解析出的環(huán)境數(shù)據(jù)存入MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)中；后端將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出發(fā)送到前端顯示所有環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)終端是用戶遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，包括手機(jī)APP和PC 端程序，主要作用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。通過應(yīng)用程序，種植戶接收 ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送過來的數(shù)據(jù)，綜合農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境與最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境，遠(yuǎn)程控制噴淋、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)外設(shè)，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供最優(yōu)環(huán)境。終端節(jié)點(diǎn)采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化后加入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)，清除原有數(shù)據(jù)，判斷節(jié)點(diǎn)合法性，確定合法后申請(qǐng)加入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)^[2]，加入網(wǎng)絡(luò)后，控制溫濕度、光照、土壤溫濕度氮磷鉀、PH 值等傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)終端節(jié)點(diǎn)傳至協(xié)調(diào)器，保證安全、及時(shí)、準(zhǔn)確傳送數(shù)據(jù)^[2]。

4.3 PC主機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PC主機(jī)監(jiān)測(cè)主要包括調(diào)節(jié)農(nóng)作物光照時(shí)長(zhǎng)、空氣溫濕度度、土壤溫濕度氮磷鉀養(yǎng)分等等。系統(tǒng)主要由用戶管理、通信、信息管理和數(shù)據(jù)管理四部分組成，用戶管理是用戶登錄入口，用戶可以進(jìn)行賬戶設(shè)置；通信部分功能是管理數(shù)據(jù)傳輸過程，包括數(shù)據(jù)傳送、節(jié)點(diǎn)管理兩部分；信息管理功能是存儲(chǔ)農(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)，包括設(shè)備管理、生長(zhǎng)記錄^[2]；數(shù)據(jù)管理作用是保障農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境保持最優(yōu)狀態(tài)，當(dāng)單個(gè)環(huán)境值超過閾值通過通信系統(tǒng)對(duì)種植戶做出預(yù)警，包括數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)閾值設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳送^[9]。

5 系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化

將整個(gè)智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置在室外環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，啟動(dòng)系統(tǒng)硬件端的開關(guān)后，部署的各類傳感器開始監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、光照度、土壤PH 值、土壤溫濕度計(jì)氮磷鉀、土壤PH 值等環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee 通信模塊將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。此時(shí)，打開 PC 端或手機(jī)APP 端能夠查看環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)信息，如圖 5 和圖 6 所示。

圖5 PC端數(shù)據(jù)顯示

圖6 APP端數(shù)據(jù)顯示

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技不斷進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展越來越高，本文設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)^[2]，主要通過各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到路由器，再經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通訊網(wǎng)關(guān)，通訊網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)匯總，解析，打包，通過GPRS 上傳數(shù)據(jù)至阿里云IOT 平臺(tái)，再通過AMQP 服務(wù)端訂閱轉(zhuǎn)發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，種植戶通過手機(jī)APP 或PC 端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境并對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制。為種植戶增產(chǎn)增收提供有力的保障，對(duì)我國(guó)的農(nóng)作物產(chǎn)量提升及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要意義^[10]。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）