基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐紅霞，李懷亮

（綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院，黑龍江綏化，152000）

0 引言

近年來(lái)，越來(lái)越多的智能化系統(tǒng)應(yīng)用于日常生活。農(nóng)業(yè)智能化就是新興的產(chǎn)業(yè)，如何有效提高農(nóng)作物的培育效率，高效利用作物的生長(zhǎng)期，溫室環(huán)境檢測(cè)與調(diào)節(jié)成為最關(guān)鍵的一環(huán)。市面上目前出現(xiàn)了許多可以幫助提升植物培育效率的智能機(jī)器，但大多沒有將環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)處理、及時(shí)報(bào)警和遠(yuǎn)程控制等諸多關(guān)鍵性要素完美的結(jié)合到一起，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能，因此設(shè)計(jì)一款將單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)相結(jié)合的智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)尤為重要，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集及實(shí)時(shí)顯示，能夠及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行自動(dòng)處理相結(jié)合，還可以進(jìn)行工作人員信息安全管理和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，在很大程度上解放了人工，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式芯片STM32F103ZET6 為核心，系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要包括信息安全系統(tǒng)，環(huán)境檢測(cè)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，報(bào)警系統(tǒng)、Wifi 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。圖中指紋識(shí)別模塊和GSM 模塊構(gòu)成信息安全系統(tǒng)；溫濕度和光照采集模塊，調(diào)節(jié)裝置（排風(fēng)、加熱電阻、水泵）構(gòu)成環(huán)境檢測(cè)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)；ISD1760 語(yǔ)音模塊和GSM 模塊構(gòu)成報(bào)警系統(tǒng)；Wifi 和上位機(jī)構(gòu)成遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。各模塊與嵌入式芯片通過程序編寫來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，遠(yuǎn)程控制通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用效率更高的ZigBee 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，協(xié)作完成智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的所用功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信息安全系統(tǒng)

本部分由R305 指紋識(shí)別模塊和GSM 模塊構(gòu)成，工作人員通過指紋識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)員工考勤，管理員可以預(yù)先錄入所有工作人員的信息并進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)如要啟動(dòng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)或進(jìn)入數(shù)據(jù)中心也需要指紋驗(yàn)證，如果指紋匹配多次出錯(cuò)GSM 將會(huì)報(bào)告給管理員，并判別是否為意外操作以便及時(shí)采取措施。

2.2 大棚內(nèi)環(huán)境檢測(cè)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)

本部分由DHT11 模塊、GY-30 模塊，調(diào)節(jié)裝置（排風(fēng)、加熱電阻、水泵等）組成。檢測(cè)的土壤溫濕度值和環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)值被傳送到控制器進(jìn)行處理，可根據(jù)農(nóng)作物種類的不同，設(shè)定生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度和光照閾值，當(dāng)采集的數(shù)值不在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)裝置根據(jù)不同的超限情況進(jìn)行相應(yīng)的處理，如通過排風(fēng)裝置進(jìn)行降溫，通過加熱電阻提高環(huán)境溫度，借助水泵實(shí)現(xiàn)土壤灌溉，直至溫濕度重新回到設(shè)定范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)裝置關(guān)閉，當(dāng)大棚內(nèi)的系統(tǒng)指標(biāo)超限時(shí)可通過語(yǔ)音播報(bào)或者GSM 短信通知完成提醒功能。

2.3 報(bào)警系統(tǒng)

本部分由ISD1760 語(yǔ)音播報(bào)模塊和GSM 模塊組成。ISD1760 語(yǔ)音播報(bào)模塊集成度高，具有高性能的錄放功能，可實(shí)現(xiàn)多段錄音，其采樣率在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，芯片自帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能實(shí)現(xiàn)較好的音質(zhì)和斷電存儲(chǔ)。當(dāng)采集的溫濕度和光照強(qiáng)度數(shù)值不在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)語(yǔ)音報(bào)警裝置啟動(dòng)，提醒工作人員，同時(shí)GSM 模塊給預(yù)先設(shè)置電話號(hào)碼發(fā)送通知短信。設(shè)計(jì)中GSM 網(wǎng)絡(luò)使用的是GA6 通信模塊，該模塊即支持短信操作，也支持電話功能、彩信功能，它支持四個(gè)通信頻段，工作性能穩(wěn)定，信號(hào)質(zhì)量好，性價(jià)比高，通過串口和單片機(jī)的串口連接。使用中通過控制器發(fā)送特定的AT 指令控制GA6 進(jìn)行短信發(fā)送和接收，方便便捷。GA6 模塊模塊使用5V 供電，模塊支持移動(dòng)、聯(lián)通等多種通信制式，上電后實(shí)現(xiàn)SIM 卡自動(dòng)注冊(cè)。

2.4 攝像頭

設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)攝像頭多方位監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的情況，通過其捕捉棚內(nèi)畫面，同時(shí)通過無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將畫面經(jīng)過處理后顯示在遠(yuǎn)端上位機(jī)的屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)圖像的采集。

2.5 節(jié)能電源系統(tǒng)

設(shè)計(jì)中電源系統(tǒng)采用12V 鉛酸蓄電池、太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能控制器組成，太陽(yáng)能電池板作位輔助電源對(duì)蓄電池充電，整個(gè)電源系統(tǒng)為各個(gè)硬件電路提供動(dòng)力來(lái)源，因使用了太陽(yáng)能可再生能源，所以系統(tǒng)能耗較低。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的軟件功能流程

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)使用內(nèi)置的C/C++編譯器進(jìn)行編譯，將代碼燒寫至單片機(jī)內(nèi)運(yùn)行程序。系統(tǒng)通過外圍傳感器完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，通過程序編寫完成模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，不同功能進(jìn)程間進(jìn)行通信，上位機(jī)接收實(shí)時(shí)反饋的信息，及時(shí)給工作人員反饋信息和語(yǔ)音提示。如大棚內(nèi)參數(shù)不適合，通過Wifi遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的軟件功能流程如圖2 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行程序的初始化，加載各種傳感器和硬件設(shè)備，開啟Web 服務(wù)器和應(yīng)用程序，判定系統(tǒng)初始化是否完成，如果完成則顯示啟動(dòng)成功，開始調(diào)用溫濕度函數(shù)和光強(qiáng)檢測(cè)函數(shù)，信息安全系統(tǒng)開啟指紋讀取程序，否則重新加載；所用硬件和程序啟動(dòng)后，還需判斷是否有Web 服務(wù)器請(qǐng)求或者遠(yuǎn)程訪問請(qǐng)求，如果存在請(qǐng)求，則此時(shí)遠(yuǎn)端的上位機(jī)頁(yè)面可以顯示實(shí)時(shí)信息，并可以通過頁(yè)面設(shè)置完成遠(yuǎn)程的智能化操控。

3.2 硬件與網(wǎng)頁(yè)交互的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件在Linux 系統(tǒng)下完成，通過shell 命令完成web 前端設(shè)計(jì)及后端搭建；搭建過程主要使用Python語(yǔ)言和Django 框架；在頁(yè)面設(shè)計(jì)上使用Python 結(jié)合了Html、CSS 等語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)與網(wǎng)頁(yè)間的動(dòng)態(tài)連接；系統(tǒng)的登錄帳號(hào)密碼以及查詢歷史記錄會(huì)保存在sqlite 數(shù)據(jù)庫(kù)中。在終端登錄客戶端，將想要完成的動(dòng)作傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器端根據(jù)接收到的信息完成指定動(dòng)作，如工作人員可以通過賬號(hào)密碼登錄網(wǎng)頁(yè)，實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，還可以發(fā)出調(diào)節(jié)動(dòng)作指令，完成遠(yuǎn)程控制。Django 框架的運(yùn)行過程如圖3 所示，管理員在瀏覽器中訪問URL 后判斷協(xié)議類型，根據(jù)http 請(qǐng)求獲得轉(zhuǎn)換后的IP 地址，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭_(dá)Web服務(wù)器，之后會(huì)調(diào)用程序，最后通過Web發(fā)送到瀏覽器。

圖2 系統(tǒng)軟件工作流程圖

圖3 Django 框架的運(yùn)行過程

3.3 Wifi 的遠(yuǎn)程控制

本系統(tǒng)使用Wifi 作為橋梁，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用效率更高的ZigBee 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)裝置的遠(yuǎn)程操控，提升農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的智能化和工作效率。設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，管理員登陸客戶端，網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面顯示大棚內(nèi)圖像信息和（溫度，濕度，光強(qiáng)等）各種信號(hào)變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，管理員可以根據(jù)實(shí)際需求通過計(jì)算機(jī)直接發(fā)出調(diào)節(jié)指令，控制下位機(jī)單片機(jī)完成對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作，調(diào)整大棚內(nèi)環(huán)境的指數(shù)，達(dá)到遠(yuǎn)程操控的目的，讓智慧農(nóng)業(yè)更加智能化、人性化。

在使用Wifi 的遠(yuǎn)程控制中，主要分為以下幾個(gè)步驟：首先進(jìn)行無(wú)線路由器設(shè)置，登陸管理界面，找到虛擬服務(wù)器；然后打開CMD 命令提示行，輸入目標(biāo)客戶端的IP 地址，并對(duì)上位機(jī)的進(jìn)行配置，本設(shè)計(jì)中主要包括Wifi參數(shù)設(shè)置、指令設(shè)置、自定義動(dòng)作設(shè)置、傳感器設(shè)置等，這樣就可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)裝置的控制，并能接收回傳的視頻。這里Wifi的遠(yuǎn)程控制需要開兩個(gè)端口，一個(gè)為視頻端口，另一個(gè)為控制端口，通過添加端口轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，確定轉(zhuǎn)發(fā)的目標(biāo)客戶端的IP。無(wú)線路由器，連通了外網(wǎng)和大棚內(nèi)的路由，使得可以在外網(wǎng)通過計(jì)算機(jī)控制大棚內(nèi)的調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)Wifi 的遠(yuǎn)程控制。

4 特色與創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)提高了系統(tǒng)信息安全性，且人性化易于操作，工作人員通過指紋識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)員工考勤，管理員可通過預(yù)先錄入指定的用戶的指紋作為開啟智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的登錄口令，而未錄入指紋其他人則不能進(jìn)入系統(tǒng)。同時(shí)如要啟動(dòng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)或進(jìn)入數(shù)據(jù)中心也需要指紋驗(yàn)證，如果指紋匹配多次出錯(cuò)GSM 將會(huì)報(bào)告給管理員，并判別是否為意外操作以便及時(shí)采取措施。

（2）語(yǔ)音播報(bào)報(bào)警和GSM 短信通知報(bào)警并用，當(dāng)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)與設(shè)定的參數(shù)閾值不在同一范圍內(nèi)時(shí)，大棚內(nèi)的智慧系統(tǒng)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)提醒現(xiàn)場(chǎng)的工作人員開啟調(diào)節(jié)裝置，同時(shí)通過GSM 短信通知管理員進(jìn)行備案記錄，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供智能化保障。

（3）通過Wifi 的遠(yuǎn)程控制，使上位機(jī)計(jì)算機(jī)與下位機(jī)單片機(jī)相互聯(lián)系，上位機(jī)的使用可以通過下位機(jī)反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)及時(shí)的提醒工作人員和管理員，使工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境的變化，做出相應(yīng)的措施。上位機(jī)人性化的界面，能給用戶提供方便而且舒心體驗(yàn)。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應(yīng)具備的功能進(jìn)行了研究，該嵌入式系統(tǒng)使用STM32 芯片，借助各種傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值比較，完成自動(dòng)調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)功能，同時(shí)可以進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示和GSM 信息報(bào)警。遠(yuǎn)程控制主要在上位機(jī)中進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)，通過Wifi 將上位機(jī)和下位機(jī)連通，完成信息交互，大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻畫面可以顯示在網(wǎng)頁(yè)終端，三維視覺感逼真。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)軟硬件的控制性相對(duì)傳統(tǒng)操作實(shí)效性更高、動(dòng)作精確、執(zhí)行更高效，未來(lái)隨著人工智能的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)會(huì)更好的推廣價(jià)值。