基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，目前在我國傳統(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)測手段，對于農(nóng)作物的生長環(huán)境不能準確及時掌握，同時無法為農(nóng)作物提供最佳生長環(huán)境。種植方式過度依賴經(jīng)驗，比如過度使用化學肥料，除造成農(nóng)作物產(chǎn)量偏低外，還會使生態(tài)環(huán)境受到破壞。與此同時，我國人口老齡化嚴重，農(nóng)業(yè)種植勞動力大大減少，如何對土地資源進行高效利用、投入較少人力物力、降低農(nóng)作物種植成本，同時實現(xiàn)質量優(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)。

針對以上問題，本文主要設計一種基于STM32 的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、用戶終端、外設4 個部分組成。通過空氣溫濕度、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(shù)據(jù)，并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過手機APP 或者PC 端直觀查看環(huán)境的變化同時進行相應的外設調控。

1 系統(tǒng)主要功能

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(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，通過顯示屏顯示基礎環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可通過手機APP或PC 端，實時觀測農(nóng)作物生長環(huán)境信息，并根據(jù)系統(tǒng)提供的最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境，遠程控制農(nóng)業(yè)外設，持續(xù)為農(nóng)作物生產(chǎn)提供最優(yōu)生長條件，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植智能化管理，農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質、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)核部分包括調度器、信號量、線程。 調度器：創(chuàng)建多個線程來實現(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 中斷回調函數(shù)釋放的信號量后，對數(shù)據(jù)進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)正在運行。

3 硬件系統(tǒng)設計

智慧農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分由終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、STM32F407 通訊網(wǎng)關、云服務器五部分組成。終端節(jié)點以CC2530 為核心通過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(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)路由器轉發(fā)至協(xié)調器^[2]，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉發(fā)給STM32F407通訊網(wǎng)關，STM32F407 通訊網(wǎng)關完成數(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，阿里云IOT 平臺將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務端訂閱轉發(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合太陽能版，可以最大限度節(jié)約能源^[3]。太陽能版可以為設備持續(xù)供電，供電支撐不足的情況，可通過對鋰電池充電，確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對農(nóng)作物種植環(huán)境的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集主要通過各類傳感器實現(xiàn)，采集不同農(nóng)作物種植環(huán)境數(shù)據(jù)，對農(nóng)作物生長環(huán)境實現(xiàn)實時監(jiān)測^[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，他的工作原理是把空氣中的溫濕度通過一定監(jiān)測裝置，測量到溫濕度以后，按一定的規(guī)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(nèi)同時保持測量條件不失真，被測量的頻率范圍會受頻率響應特性影響，傳感器響應時間會有一定延遲，其頻率響應越高，實際可測量的信號頻率范圍也就越寬。在系統(tǒng)的動態(tài)測量中，依據(jù)（穩(wěn)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(nèi)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)過運算放大電路進行放大，產(chǎn)生的電壓被ADC 模塊采集，再經(jīng)過邏輯電路轉成可直接在內(nèi)部寄存機存儲的十六位二進制^[3]。電壓和光強度是一一對應的關系，也就是說當進入光窗光強度越大時，光電流和電壓也會越大，他們不成完全正比關系，但是我們可以通過電壓的大小計算光照大小^[3]。BH1750 引出時鐘、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MC-4IN1，該類型的傳感器既可以監(jiān)測土壤溫濕度，也可以監(jiān)測土壤中的電導率、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量土壤溫濕度^[6]。進行溫度測量時，熱敏電阻值隨土壤溫度變化，通過測量電阻值進而測量土壤溫度。濕度測量時，濕敏電阻值隨土壤濕度變化，通過測量電阻值進而測量土壤濕度。由于其工作原理是基于電阻值變化，因此需使用專門電路處理，包括放大器、濾波器、數(shù)字轉換器等，將采集到的土壤溫濕度以數(shù)字量形式輸出到單片機系統(tǒng)，經(jīng)AD 轉換進行顯示，電路圖如圖3 所示^[6]。

圖3 MC-4IN1電路圖

監(jiān)測氮磷鉀的工作原理是將測量的電導率值乘以相應系數(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，探針可長時間埋入土壤進行數(shù)據(jù)觀測^[6]。通過檢監(jiān)測壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤肥沃程度，方便對土壤養(yǎng)分情況進行評估，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(tǒng)的核心是金屬傳感器，傳感器的電極直接接觸被測土壤，通過氧化還原化學反應產(chǎn)生電流，對電流值進行分析分段，驅動電流表顯示對應pH 值數(shù)據(jù)。通過主機轉換，以數(shù)值的形式進行結果顯示。土壤pH傳感器的測量區(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，挖開到需測量的深度，避開堅硬物體，將鋼針直插入土壤中，在被測土地的不同位置進行多次測量取平均值。二是埋地測量法，挖1 個直徑>20 cm的深坑，將鋼針水平插入坑壁，填埋穩(wěn)定一段時間后，即可對土壤pH 值進行長時間的測量。

3.2 ZigBee無線通信模塊

數(shù)據(jù)采集完成以后，通過ZigBee 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 基于IEEE802.15.4 進行通信，是一種無線網(wǎng)絡通信協(xié)議，適和應用到距離短、速率低、功耗低的場所，工作頻段可分為：868 MHz、915 MHz、2.4 GHz，網(wǎng)絡傳輸舉例最短10 m 最長100 m，最高數(shù)據(jù)速率為250 kbit/s^[1]。ZigBee 網(wǎng)絡的3 類硬件支撐包括協(xié)調器、路由器和終端，協(xié)調器主要進行網(wǎng)絡的建立和初始化，ZigBee 結構中使用唯一協(xié)調器節(jié)點接收外部設備數(shù)據(jù)信息^[1]。新節(jié)點加入和已有節(jié)點退出必須經(jīng)過路由器關卡允許，協(xié)調器節(jié)點可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息轉發(fā)功能，有時也可作為過渡節(jié)點使用^[1]。終端節(jié)點在ZigBee 網(wǎng)絡中主要負責數(shù)據(jù)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)調器進行通信^[1]。

星型、網(wǎng)型、樹型是常見的3 種ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構^[1]。星形結構特點是協(xié)調器節(jié)點位于整個網(wǎng)絡的中心^[1]，外圍分布若干個終端節(jié)點，這種網(wǎng)絡拓撲結構通行鏈路單一，協(xié)調器出現(xiàn)問題可能導致整個網(wǎng)絡系統(tǒng)故障。樹形網(wǎng)絡拓撲中包含過渡節(jié)點-- 路由器節(jié)點、其他路由器節(jié)點、終端節(jié)點，復雜度低便于維護^[1]。MESH網(wǎng)絡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(xiàn)故障時，其他路徑自動進行數(shù)據(jù)傳送通信^[1]，保障網(wǎng)絡暢通。

本系統(tǒng)選用的是MESH網(wǎng)絡拓撲結構，如圖4 所示，這種結構實現(xiàn)終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點的分層互通，結構搭建容易且便于維護，同時最大程度擴大監(jiān)測面積^[1]。依據(jù)IEEE802.15.4 標準，ZigBee 通信網(wǎng)絡中的設備具有唯一地址，包含64 位物理地址及16 位網(wǎng)絡地址兩種設備地址^[1]。本系統(tǒng)選用CC2530 單片機的物理地址，可通過數(shù)據(jù)手冊進行查看。熟知每個設備的網(wǎng)絡地址，若單設備出現(xiàn)異常^[1]，可通過網(wǎng)絡地址快速鎖定出現(xiàn)故障節(jié)點，方便無線傳感網(wǎng)絡的運行及維護^[1]。

圖4 網(wǎng)絡拓撲結構

4 軟件系統(tǒng)設計

整個軟件系統(tǒng)由協(xié)調器軟件設計、終端節(jié)點軟件設計、PC 監(jiān)測管理3 個部分組成，具體功能如下。

4.1 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器軟件是整個數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡重要部分，在整個系統(tǒng)中扮演網(wǎng)關的角色，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。上傳到服務器時采用的協(xié)議是MQTT 協(xié)議；阿里云IOT 平臺將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務端訂閱轉發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的后端服務器；智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的后端服務器按照規(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)庫中；后端將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中取出發(fā)送到前端顯示所有環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2 終端節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)終端是用戶遠程控制系統(tǒng)，包括手機APP和PC 端程序，主要作用是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植戶遠程實時觀測農(nóng)作物生長環(huán)境。通過應用程序，種植戶接收 ZigBee網(wǎng)絡傳送過來的數(shù)據(jù)，綜合農(nóng)作物生長監(jiān)測環(huán)境與最優(yōu)生長環(huán)境，遠程控制噴淋、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)外設，為農(nóng)作物生長提供最優(yōu)環(huán)境。終端節(jié)點采集各項數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調器進行初始化后加入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡，清除原有數(shù)據(jù)，判斷節(jié)點合法性，確定合法后申請加入數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡^[2]，加入網(wǎng)絡后，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)點傳至協(xié)調器，保證安全、及時、準確傳送數(shù)據(jù)^[2]。

4.3 PC主機監(jiān)測軟件設計

本系統(tǒng)PC主機監(jiān)測主要包括調節(jié)農(nóng)作物光照時長、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，用戶可以進行賬戶設置；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)點管理兩部分；信息管理功能是存儲農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)，包括設備管理、生長記錄^[2]；數(shù)據(jù)管理作用是保障農(nóng)作物生長環(huán)境保持最優(yōu)狀態(tài)，當單個環(huán)境值超過閾值通過通信系統(tǒng)對種植戶做出預警，包括數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)閾值設定、數(shù)據(jù)存儲及傳送^[9]。

5 系統(tǒng)測試與優(yōu)化

將整個智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)布置在室外環(huán)境進行系統(tǒng)測試，啟動系統(tǒng)硬件端的開關后，部署的各類傳感器開始監(jiān)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(shù)，并通過ZigBee 通信模塊將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云平臺。此時，打開 PC 端或手機APP 端能夠查看環(huán)境監(jiān)測參數(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 結束語

隨著科技不斷進步，我國農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展越來越高，本文設計的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)^[2]，主要通過各類傳感器進行數(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)路由器轉發(fā)至協(xié)調器，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉發(fā)給通訊網(wǎng)關，通訊網(wǎng)關完成數(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，再通過AMQP 服務端訂閱轉發(fā)到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，種植戶通過手機APP 或PC 端實時監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境并對外設進行控制。為種植戶增產(chǎn)增收提供有力的保障，對我國的農(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）