基于STM32和Android手機的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設計與實(shí)現

作者 祝朝坤 張凌燕 鄭州工商學(xué)院(河南 鄭州 450000)

祝朝坤 (1987-)，男，碩士，講師，研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );張凌燕，女，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統。

摘要：本文基于STM32以及Android智能手機APP，實(shí)現了簡(jiǎn)易農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設計。設計中通過(guò)STM32和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用，提出并設計了一種通過(guò)對大棚內農作物生長(cháng)的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和調控的系統，在控制設備的干預下，為農作物的生長(cháng)創(chuàng )造最適宜其生長(cháng)的環(huán)境的設計。

引言

　　在目前的技術(shù)浪潮推動(dòng)下，傳統農業(yè)的生產(chǎn)形式已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。本文農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設計是以嵌入式系統為基礎，能夠對溫室大棚內空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并在各項環(huán)境指標達到預先設定的閾值時(shí)，對環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋調節，通過(guò)控制其他設備對溫室大棚內的環(huán)境做出相應調控。例如當檢測到土壤濕度不足時(shí)，系統就打開(kāi)灌溉系統進(jìn)行灌溉;當檢測到光照不足時(shí)，系統控制電燈打開(kāi)照明控制系統對大棚內光照強度進(jìn)行調控;當檢測到CO2含量過(guò)高時(shí)，則打開(kāi)通風(fēng)系統對大棚內空氣進(jìn)行通風(fēng)調節等監控功能。

　　大棚中主要通過(guò)STM32F103系列單片機對其中的溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器的數據進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)換算得到相應的環(huán)境數據后，通過(guò)STM32F103的串口將數據傳輸給WiFi模塊。Android手機通過(guò)串口轉WiFi模塊對傳感器采集來(lái)的數據進(jìn)行接收。并將其在A(yíng)ndroid手機APP上顯示出來(lái)。與此同時(shí)，通過(guò)Android手機端，事先能夠對環(huán)境溫濕度，土壤濕度的閾值進(jìn)行設定，如果當前環(huán)境達不到所設定要求時(shí)，風(fēng)扇、電燈和水泵等控制設備會(huì )自動(dòng)打開(kāi)，對大棚內的空氣溫度及空氣質(zhì)量、光照強度、土壤濕度等環(huán)境信息進(jìn)行干預，以便達到預先設定的環(huán)境閾值。

1 系統功能設計

　　設計分為硬件設計和軟件設計兩大部分。

　　硬件部分包括STM32單片機與各傳感器模塊的硬件電路設計;軟件設計包括STM32單片機的程序開(kāi)發(fā)，以及Android智能手機上的APP的開(kāi)發(fā)。設計的總體框圖如圖1所示。

1.1 硬件的選型和設計

　　物聯(lián)網(wǎng)大棚的環(huán)境節點(diǎn)設計采用性?xún)r(jià)比較高的STM32F103系列單片機做為微控制器，環(huán)境監測傳感器和控制設備通過(guò)GPIO口、I2C引腳等接口與STM32單片機相連;同時(shí)，STM32單片機通過(guò)串行口和WiFi模塊相連，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議與智能手機進(jìn)行數據交換，從而實(shí)現對大棚內傳感器信息的采集和對大棚內各設備狀態(tài)的控制。

1.1.1 設計中采用的傳感器

   1、DHT22一體化溫濕度傳感器

　　DHT22濕敏電容數字溫濕度模塊是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該產(chǎn)品具有超低能耗、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

   2、光照強度模塊電路

　　該設計中采用的是較為常用的BH1750FVI光照強度檢測模塊。其工作溫度范圍也較廣，為-45℃至+85℃，能夠滿(mǎn)足一般工業(yè)生產(chǎn)的條件。同時(shí)也具有較高的靈敏的和精確度。

　　此模塊采用I2C協(xié)議與單片機之間進(jìn)行數據交互。其可以檢測到的光照強度范圍為1~65535Lux。

   3、 土壤濕度傳感器

　　土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器，土壤含水量傳感器。土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構成，可長(cháng)期埋設于土壤和堤壩內使用，對表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監測和在線(xiàn)測量。與數據采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監測或移動(dòng)測量的工具測量土壤容積含水量，主要用于土壤墑情檢測以及農業(yè)灌溉和林業(yè)防護。

　　以上三種傳感器是本設計中將要用到的傳感器，他們主要采集周?chē)h(huán)境中實(shí)時(shí)變化的溫濕度、光照強和土壤的濕度等農作物生長(cháng)的環(huán)境信息。

1.1.2 通信相關(guān)電路

　　為了解決硬件與軟件的通信以及攝像頭采集數據的傳輸，設計中選用了ESP8266 WiFi模塊。該模塊是一款串口轉WiFi模塊，他能夠將單片機的串口通信協(xié)議轉換成TCP/IP協(xié)議，為單片機接入網(wǎng)絡(luò )提供了可能。又因為其成本低、使用簡(jiǎn)便、組網(wǎng)方便、易于實(shí)現遠程數據交互，因此在物聯(lián)網(wǎng)應用設計中，被廣泛采納使用。

1.1.3 農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚簡(jiǎn)易模型圖

　　在本設計中STM32F103用作核心控制器，用來(lái)對DHT22、BH1750FVI和土壤濕度傳感器的信息采集與處理，并控制WiFi模塊收發(fā)工作有序的進(jìn)行。在設計中起到至關(guān)重要的作用。農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚簡(jiǎn)易模型如圖2所示。

　　1.2 Android客戶(hù)端APP程序設計

　　Android客戶(hù)端應用程序作為本農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚系統所使用的手機客戶(hù)端。Android終端程序初步設計總共有1個(gè)主頁(yè)面和3個(gè)子界面。3個(gè)子界面包括環(huán)境信息控制界面、光照強度控制界面和監控攝像頭選擇界面?，F對此APP的子界面及其部分代碼進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

   1、主頁(yè)面

　　打開(kāi)應用程序即可進(jìn)入到主頁(yè)面，如圖3所示。在主界面上設置有3個(gè)觸摸按鍵，當點(diǎn)擊這三個(gè)不同的觸摸按鈕時(shí)，會(huì )觸發(fā)不同的監聽(tīng)事件，從而調用相關(guān)函數，轉入對應的子頁(yè)面當中去。

　　2、“環(huán)境信息”子頁(yè)面

　　當在主頁(yè)面點(diǎn)擊“環(huán)境信息”按鈕時(shí)，程序即可跳轉到環(huán)境信息子頁(yè)面去。該頁(yè)面布局和功能如圖4所示。