基于STM32的智慧農業(yè)監測系統設計與實(shí)現

0 引言

我國是農業(yè)大國，目前在我國傳統農業(yè)生產(chǎn)方式依然普遍存在，缺乏高效的農業(yè)監測手段，對于農作物的生長(cháng)環(huán)境不能準確及時(shí)掌握，同時(shí)無(wú)法為農作物提供最佳生長(cháng)環(huán)境。種植方式過(guò)度依賴(lài)經(jīng)驗，比如過(guò)度使用化學(xué)肥料，除造成農作物產(chǎn)量偏低外，還會(huì )使生態(tài)環(huán)境受到破壞。與此同時(shí)，我國人口老齡化嚴重，農業(yè)種植勞動(dòng)力大大減少，如何對土地資源進(jìn)行高效利用、投入較少人力物力、降低農作物種植成本，同時(shí)實(shí)現質(zhì)量?jì)?yōu)、產(chǎn)量高的可持續發(fā)展種植策略是目前農業(yè)種植中面臨的巨大挑戰。

針對以上問(wèn)題，本文主要設計一種基于STM32 的智慧農業(yè)監測系統，系統由數據采集模塊、通信模塊、用戶(hù)終端、外設4 個(gè)部分組成。通過(guò)空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度及氮磷鉀含量、土壤PH 值傳感器采集數據，并通過(guò)ZigBee 協(xié)議傳輸數據，用戶(hù)可通過(guò)手機APP 或者PC 端直觀(guān)查看環(huán)境的變化同時(shí)進(jìn)行相應的外設調控。

1 系統主要功能

智慧農業(yè)監測系統主要功能如圖1 所示，包括各類(lèi)傳感器、顯示屏、控制器及系統軟件等組成部分。系統綜合利用嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據等技術(shù)，通過(guò)顯示屏顯示基礎環(huán)境數據，用戶(hù)可通過(guò)手機APP或PC 端，實(shí)時(shí)觀(guān)測農作物生長(cháng)環(huán)境信息，并根據系統提供的最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境，遠程控制農業(yè)外設，持續為農作物生產(chǎn)提供最優(yōu)生長(cháng)條件，實(shí)現農業(yè)種植智能化管理，農作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全產(chǎn)出。

圖1系統功能圖

2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

本系統開(kāi)發(fā)環(huán)境硬件包括STM32F407，CC2530，Fibocom L610，BH1750 光照強度傳感器，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(kāi)發(fā)工具及版本：MDK 5.27STM32CubeMx RT-Thread 使用情況概述：內核部分包括調度器、信號量、線(xiàn)程。 調度器：創(chuàng )建多個(gè)線(xiàn)程來(lái)實(shí)現不同的工作。

線(xiàn)程：uart2_rx_thread_entry和led_thread_entry uart2_rx_thread_entry 線(xiàn)程接收到串口2 中斷回調函數釋放的信號量后，對數據進(jìn)行整理并上傳至阿里云；led_thread_entry 線(xiàn)程使LED 間隔1 秒閃爍，提示系統正在運行。

3 硬件系統設計

智慧農業(yè)環(huán)境監測系統硬件部分由終端節點(diǎn)、路由器節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)、STM32F407 通訊網(wǎng)關(guān)、云服務(wù)器五部分組成。終端節點(diǎn)以CC2530 為核心通過(guò)傳感器采集空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀含量以及土壤pH 值數據信息并通過(guò)ZigBee 協(xié)議傳輸數據到路由器，再經(jīng)路由器轉發(fā)至協(xié)調器^[2]，協(xié)調器接收到數據后通過(guò)串口把數據轉發(fā)給STM32F407通訊網(wǎng)關(guān)，STM32F407 通訊網(wǎng)關(guān)完成數據匯總，解析，打包，在LCD 上顯示采集到數據，并通過(guò)GPRS 上傳數據至阿里云IOT 平臺，阿里云IOT 平臺將數據包通過(guò)AMQP服務(wù)端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統，形成“采集—顯示—控制”于一體的閉環(huán)控制模式^[2]。

3.1 數據采集模塊

數據采集主要包括傳感器和電源模塊。系統電源模塊組成為鋰電池組結合太陽(yáng)能版，可以最大限度節約能源^[3]。太陽(yáng)能版可以為設備持續供電，供電支撐不足的情況，可通過(guò)對鋰電池充電，確保整個(gè)系統穩定運行。對農作物種植環(huán)境的監測和數據采集主要通過(guò)各類(lèi)傳感器實(shí)現，采集不同農作物種植環(huán)境數據，對農作物生長(cháng)環(huán)境實(shí)現實(shí)時(shí)監測^[3]。本系統主要采集的環(huán)境數據包括空氣溫度、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。以下為本系統包含的傳感器類(lèi)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，他的工作原理是把空氣中的溫濕度通過(guò)一定監測裝置，測量到溫濕度以后，按一定的規律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出。溫濕度傳感器的測量必須在允許頻率范圍內同時(shí)保持測量條件不失真，被測量的頻率范圍會(huì )受頻率響應特性影響，傳感器響應時(shí)間會(huì )有一定延遲，其頻率響應越高，實(shí)際可測量的信號頻率范圍也就越寬。在系統的動(dòng)態(tài)測量中，依據（穩態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）響應特性，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，內部結構包括運算放大器、光敏二極管、晶振、ADC 采集等部分。電路工作原理：如圖2 所示，光信號輸入以后，經(jīng)過(guò)PD 二極管產(chǎn)生光生伏特效應，最后轉換成電信號，再經(jīng)過(guò)運算放大電路進(jìn)行放大，產(chǎn)生的電壓被ADC 模塊采集，再經(jīng)過(guò)邏輯電路轉成可直接在內部寄存機存儲的十六位二進(jìn)制^[3]。電壓和光強度是一一對應的關(guān)系，也就是說(shuō)當進(jìn)入光窗光強度越大時(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(guò)電壓的大小計算光照大小^[3]。BH1750 引出時(shí)鐘、數據線(xiàn)，STM32 與傳感器通訊主要通過(guò)I2C 協(xié)議，從BH1750 寄存器中讀取光照度數據^[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MC-4IN1，該類(lèi)型的傳感器既可以監測土壤溫濕度，也可以監測土壤中的電導率、鹽分、氮、磷、鉀等數據。工作原理是利用熱敏及濕敏電阻來(lái)測量土壤溫濕度^[6]。進(jìn)行溫度測量時(shí)，熱敏電阻值隨土壤溫度變化，通過(guò)測量電阻值進(jìn)而測量土壤溫度。濕度測量時(shí)，濕敏電阻值隨土壤濕度變化，通過(guò)測量電阻值進(jìn)而測量土壤濕度。由于其工作原理是基于電阻值變化，因此需使用專(zhuān)門(mén)電路處理，包括放大器、濾波器、數字轉換器等，將采集到的土壤溫濕度以數字量形式輸出到單片機系統，經(jīng)AD 轉換進(jìn)行顯示，電路圖如圖3 所示^[6]。

圖3 MC-4IN1電路圖

監測氮磷鉀的工作原理是將測量的電導率值乘以相應系數得出氮、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(cháng)時(shí)間埋入土壤進(jìn)行數據觀(guān)測^[6]。通過(guò)檢監測壤中氮磷鉀的含量來(lái)判斷土壤肥沃程度，方便對土壤養分情況進(jìn)行評估，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OSA-60，它的工作原理是，硬件系統的核心是金屬傳感器，傳感器的電極直接接觸被測土壤，通過(guò)氧化還原化學(xué)反應產(chǎn)生電流，對電流值進(jìn)行分析分段，驅動(dòng)電流表顯示對應pH 值數據。通過(guò)主機轉換，以數值的形式進(jìn)行結果顯示。土壤pH傳感器的測量區域一般為：以?xún)商结樦醒霝橹行?，直徑?25 px，與探針等高的圓柱體內。測量范圍一般為：pH=3~8。常用測試方法有2 種，一是速測法，選定需要測量的地塊，挖開(kāi)到需測量的深度，避開(kāi)堅硬物體，將鋼針直插入土壤中，在被測土地的不同位置進(jìn)行多次測量取平均值。二是埋地測量法，挖1 個(gè)直徑>20 cm的深坑，將鋼針水平插入坑壁，填埋穩定一段時(shí)間后，即可對土壤pH 值進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的測量。

3.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊

數據采集完成以后，通過(guò)ZigBee 協(xié)議進(jìn)行數據傳輸。ZigBee 基于IEEE802.15.4 進(jìn)行通信，是一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議，適和應用到距離短、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(cháng)100 m，最高數據速率為250 kbit/s^[1]。ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的3 類(lèi)硬件支撐包括協(xié)調器、路由器和終端，協(xié)調器主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )的建立和初始化，ZigBee 結構中使用唯一協(xié)調器節點(diǎn)接收外部設備數據信息^[1]。新節點(diǎn)加入和已有節點(diǎn)退出必須經(jīng)過(guò)路由器關(guān)卡允許，協(xié)調器節點(diǎn)可以實(shí)現數據信息轉發(fā)功能，有時(shí)也可作為過(guò)渡節點(diǎn)使用^[1]。終端節點(diǎn)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中主要負責數據采集，同級終端之間不允許直接通信，但是可以借助路由器或者協(xié)調器進(jìn)行通信^[1]。

星型、網(wǎng)型、樹(shù)型是常見(jiàn)的3 種ZigBee 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構^[1]。星形結構特點(diǎn)是協(xié)調器節點(diǎn)位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的中心^[1]，外圍分布若干個(gè)終端節點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構通行鏈路單一，協(xié)調器出現問(wèn)題可能導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統故障。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )拓撲中包含過(guò)渡節點(diǎn)-- 路由器節點(diǎn)、其他路由器節點(diǎn)、終端節點(diǎn)，復雜度低便于維護^[1]。MESH網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中路由器間可直連通信^[1]，這種結構靈活性高，部分傳輸鏈路出現故障時(shí)，其他路徑自動(dòng)進(jìn)行數據傳送通信^[1]，保障網(wǎng)絡(luò )暢通。

本系統選用的是MESH網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖4 所示，這種結構實(shí)現終端節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)、路由節點(diǎn)的分層互通，結構搭建容易且便于維護，同時(shí)最大程度擴大監測面積^[1]。依據IEEE802.15.4 標準，ZigBee 通信網(wǎng)絡(luò )中的設備具有唯一地址，包含64 位物理地址及16 位網(wǎng)絡(luò )地址兩種設備地址^[1]。本系統選用CC2530 單片機的物理地址，可通過(guò)數據手冊進(jìn)行查看。熟知每個(gè)設備的網(wǎng)絡(luò )地址，若單設備出現異常^[1]，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )地址快速鎖定出現故障節點(diǎn)，方便無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的運行及維護^[1]。

圖4 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

4 軟件系統設計

整個(gè)軟件系統由協(xié)調器軟件設計、終端節點(diǎn)軟件設計、PC 監測管理3 個(gè)部分組成，具體功能如下。

4.1 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器軟件是整個(gè)數據傳送網(wǎng)絡(luò )重要部分，在整個(gè)系統中扮演網(wǎng)關(guān)的角色，使用ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信，與CC2530 數據處理器芯片組合。硬件端采集到所有環(huán)境數據后，按照協(xié)議將所有數據封裝成包。并將這些數據包上傳到阿里云IOT 平臺。上傳到服務(wù)器時(shí)采用的協(xié)議是MQTT 協(xié)議；阿里云IOT 平臺將數據包通過(guò)AMQP服務(wù)端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統的后端服務(wù)器；智慧農業(yè)系統的后端服務(wù)器按照規則完成數據包的解析，并將解析出的環(huán)境數據存入MySql 數據庫中；后端將數據從數據庫中取出發(fā)送到前端顯示所有環(huán)境數據。

4.2 終端節點(diǎn)軟件設計

本系統終端是用戶(hù)遠程控制系統，包括手機APP和PC 端程序，主要作用是實(shí)現農業(yè)種植戶(hù)遠程實(shí)時(shí)觀(guān)測農作物生長(cháng)環(huán)境。通過(guò)應用程序，種植戶(hù)接收 ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳送過(guò)來(lái)的數據，綜合農作物生長(cháng)監測環(huán)境與最優(yōu)生長(cháng)環(huán)境，遠程控制噴淋、農藥等農業(yè)外設，為農作物生長(cháng)提供最優(yōu)環(huán)境。終端節點(diǎn)采集各項數據，經(jīng)協(xié)調器進(jìn)行初始化后加入數據處理網(wǎng)絡(luò )，清除原有數據，判斷節點(diǎn)合法性，確定合法后申請加入數據處理網(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 值等傳感器采集數據，經(jīng)終端節點(diǎn)傳至協(xié)調器，保證安全、及時(shí)、準確傳送數據^[2]。

4.3 PC主機監測軟件設計

本系統PC主機監測主要包括調節農作物光照時(shí)長(cháng)、空氣溫濕度度、土壤溫濕度氮磷鉀養分等等。系統主要由用戶(hù)管理、通信、信息管理和數據管理四部分組成，用戶(hù)管理是用戶(hù)登錄入口，用戶(hù)可以進(jìn)行賬戶(hù)設置；通信部分功能是管理數據傳輸過(guò)程，包括數據傳送、節點(diǎn)管理兩部分；信息管理功能是存儲農作物生長(cháng)數據，包括設備管理、生長(cháng)記錄^[2]；數據管理作用是保障農作物生長(cháng)環(huán)境保持最優(yōu)狀態(tài)，當單個(gè)環(huán)境值超過(guò)閾值通過(guò)通信系統對種植戶(hù)做出預警，包括數據查詢(xún)、參數閾值設定、數據存儲及傳送^[9]。

5 系統測試與優(yōu)化

將整個(gè)智慧農業(yè)監測系統布置在室外環(huán)境進(jìn)行系統測試，啟動(dòng)系統硬件端的開(kāi)關(guān)后，部署的各類(lèi)傳感器開(kāi)始監測空氣溫濕度、光照度、土壤PH 值、土壤溫濕度計氮磷鉀、土壤PH 值等環(huán)境參數，并通過(guò)ZigBee 通信模塊將環(huán)境監測數據上傳至云平臺。此時(shí)，打開(kāi) PC 端或手機APP 端能夠查看環(huán)境監測參數信息，如圖 5 和圖 6 所示。

圖5 PC端數據顯示

圖6 APP端數據顯示

6 結束語(yǔ)

隨著(zhù)科技不斷進(jìn)步，我國農業(yè)智能化發(fā)展越來(lái)越高，本文設計的智慧農業(yè)監測系統^[2]，主要通過(guò)各類(lèi)傳感器進(jìn)行數據采集，并通過(guò)ZigBee 協(xié)議傳輸數據到路由器，再經(jīng)路由器轉發(fā)至協(xié)調器，協(xié)調器接收到數據后通過(guò)串口把數據轉發(fā)給通訊網(wǎng)關(guān)，通訊網(wǎng)關(guān)完成數據匯總，解析，打包，通過(guò)GPRS 上傳數據至阿里云IOT 平臺，再通過(guò)AMQP 服務(wù)端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統，種植戶(hù)通過(guò)手機APP 或PC 端實(shí)時(shí)監測農作物生長(cháng)環(huán)境并對外設進(jìn)行控制。為種植戶(hù)增產(chǎn)增收提供有力的保障，對我國的農作物產(chǎn)量提升及傳統農業(yè)現代化、數字化轉型具有重要意義^[10]。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年8月期）