基于stm32的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

熊 剛， 胡啟迪， 薛海斌， 劉元剛

(楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技的不斷進步，對設施農(nóng)業(yè)也提出了越來越高的要求，人們希望通過智能化裝置對設施農(nóng)業(yè)進行監(jiān)測和控制，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟效益[1-2]。北京農(nóng)業(yè)大學采用分布式控制系統(tǒng)成功研制WJG-1型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機管理系統(tǒng)，中國農(nóng)業(yè)大學設計研制的“山東省濟寧大型育苗溫室計算機分布式控制系統(tǒng)”實現(xiàn)了計算機分布式控制[3]。王海清等[4]研究的基于云平臺的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)上傳至云服務器上，主要解決溫室栽培中環(huán)境變量不易控制的問題。馬福東等[5]基于PC端研究的模塊化智能溫室系統(tǒng)為實現(xiàn)大棚結(jié)構(gòu)的模塊化設計、組裝等提供了技術參考。在楊凌地區(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中小型企業(yè)、普通農(nóng)戶的設施農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測多數(shù)采用簡易溫濕度計和電子溫濕度計，少量使用自動控制系統(tǒng)，智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)使用很少；而溫濕度計的功能較單一，自動控制系統(tǒng)、智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)存在布線復雜、響應不及時、價格昂貴等問題。為此，引入無線通信技術，以單片機stm32為控制核心，設計集溫濕度檢測、設備自動控制及手機APP智能控制等功能于一體的智能設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提高設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的有效性，為設施農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供技術支撐。

1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與運行機制

整個系統(tǒng)包括智能手機、無線路由器、主控端、各數(shù)據(jù)采集端(節(jié)點)和受控單元等(圖1)，其中，主控端與各節(jié)點之間使用CC2530通過Zigbee協(xié)議進行無線連接，以滿足組網(wǎng)的快速、便捷、靈活及穩(wěn)定等要求。節(jié)點上的CC2530負責采集傳感器數(shù)據(jù)并控制各類執(zhí)行機構(gòu)；主控端上的CC2530則為協(xié)調(diào)器，負責維護網(wǎng)絡，收集各節(jié)點采集的信息以及向節(jié)點直接發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)由手機APP發(fā)出的控制指令。主控端通過WIFI模塊與無線路由器建立連接。一方面路由器可以與手機連接進行網(wǎng)內(nèi)信息交互，另一方面路由器也可以接入外網(wǎng)的云服務器與手機進行信息交互，從而實現(xiàn)遠距離的監(jiān)控。專用的APP可以使手機通過無線路由器連接到云服務器，其中無線路由的優(yōu)先級較高，允許通過設置強制采用某種方式。當手機與主控端同屬一個無線路由器下時，采用網(wǎng)內(nèi)通信方式，以保證實時性；其他情況下則通過云服務器進行通信，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2硬件結(jié)構(gòu)

2.1主控端硬件

主控端硬件電路包括單片機模塊、按鍵模塊、液晶顯示屏模塊、聲光報警模塊、無線通信模塊及WiFi模塊等(圖2)。STM32F407ZGT6是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位微控制器，擁有210DMIPS，高達1 MB FlashROM，192 kB SRAM，4 kB備用RAM，17個TIM(定時器)，3個12位ADC，2個12位DAC，以及15個通信接口(3個I2C，4個USART/UART，3個SPI，2個I2S，2個CAN及1個SDIO)，多達140個具有中斷功能的I/O端口，完全可以滿足系統(tǒng)要求[6-9]。

Fig.2 Main control end structure of facility agricultural environment monitoring system

2.2數(shù)據(jù)采集端硬件

數(shù)據(jù)采集端負責傳感器數(shù)據(jù)采集，不涉及復雜的運算，需要一定的可移動性，對功耗的要求較高，數(shù)據(jù)采集端主要選擇CC2530F253芯片作為數(shù)據(jù)采集端的處理核心，包括煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊及光照傳感器模塊等(圖3)。CC2530F253芯片內(nèi)部集成8051內(nèi)核，可以對FLASH進行編程，其豐富的外圍設備，較大地簡化了硬件設備的設計過程，該芯片的發(fā)射功率為4.5 dB，具有功耗低、精度高等優(yōu)點，可以提高系統(tǒng)的控制效率[10-12]。

Fig.3 Data acquisition terminal hardware structure of facility agricultural environment monitoring system

3軟件程序設計與實現(xiàn)

3.1主控端程序

主控端作用非常關鍵，是數(shù)據(jù)采集端和智能手機端連接的紐帶。在沒有連接上位機的情況下，可通過觸控液晶屏實現(xiàn)各個終端的檢測和控制等功能。從圖4看出，主控端程序流程包括主程序和中斷服務程序。主流程負責完成系統(tǒng)初始化，按鍵及觸摸控制事件處理，協(xié)調(diào)器信息收集等任務；中斷服務程序負責完成檢測并讀取機械按鍵及觸屏操作，將機械按鍵及觸屏操作對應的事件壓入事件隊列，更新屏幕顯示等任務。結(jié)合主控芯片性能，用戶體驗等因素，中斷通過定時器產(chǎn)生，周期設定為20 ms。經(jīng)測試，該系統(tǒng)屏幕更新為區(qū)域更新，每次更新事件控制在5 ms以內(nèi)。

3.2主控端與智能手機端通信程序

從圖5看出主控端與智能手機端之間的通信流程。由主控端通過WIFI完成與智能手機端之間的通信，主控端收集各個節(jié)點的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)后將其上傳至智能手機端保存和分析。通信之前，主控端檢測上位機是否正在發(fā)送通信形式變更信息，如有，則根據(jù)該信息對WIFI模塊進行配置，同時通知智能手機端中止發(fā)送。主控端在發(fā)送完本次通信周期的數(shù)據(jù)后，向智能手機端發(fā)送中止通信消息，關閉WIFI通信，進入節(jié)點管理流程。

Fig.5 Smart phone communication program flow for facility agricultural environment monitoring system

3.3節(jié)點入網(wǎng)程序

主控端每隔一定時間就會檢測是否有節(jié)點加入，檢測的間隔時間由管理的節(jié)點總數(shù)以及與上位機通信時長共同決定。因此，請求入網(wǎng)的節(jié)點必須在主控端檢測到其請求信息前不間斷地發(fā)送請求消息。為方便實現(xiàn)管理過程的有序性，采用主動詢問的方式與各節(jié)點進行通信，即通過切換地址，逐個地向各個節(jié)點收集信息；在程序開始時，節(jié)點首先進行初始化，然后發(fā)送入網(wǎng)申請信息；收到回復后確認消息，完成入網(wǎng)配置；最后切換工作模式，完成節(jié)點入網(wǎng)(圖6)。

Fig.6 Node access program flow of facility agricultural environment monitoring system

4系統(tǒng)測試

設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊調(diào)試完成后裝配的樣機包括主控端、數(shù)據(jù)采集端和智能手機端等部分，監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)主要是溫濕度等，應用樣機進行精度和誤報率等性能測試，以保證系統(tǒng)的性能可滿足用戶的需求。測量精度主要是測試系統(tǒng)的測量準確性，系統(tǒng)誤報率指的是系統(tǒng)預警錯誤次數(shù)占總次數(shù)的比例。從表1可知，該設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)有裝置測試的數(shù)據(jù)存在一定誤差，溫度的誤差為31%～60%，濕度的誤差為9%～18%；在環(huán)境參數(shù)正常條件下系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)顯示正常、控制信號輸出正常、手機APP界面顯示正常；在環(huán)境參數(shù)超限時，系統(tǒng)發(fā)出報警信息。該設計系統(tǒng)的誤報率最小為5.0%，平均為12.4%；而現(xiàn)有裝置誤報率最小為31.0%，平均為46.8%，則設計系統(tǒng)誤報率平均較現(xiàn)有系統(tǒng)降低34.4%。

表1 設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的測試結(jié)果

注：誤差表示采集端平均值與現(xiàn)有裝置測量值的誤差。

Note:Error means the error between average value of acquisition terminal and measured value of existing device.

5結(jié)語

針對現(xiàn)有設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測工具存在功能單一、布線復雜、精度不高、實時監(jiān)測能力較弱及誤報率高等缺點，結(jié)合現(xiàn)有傳感器技術、自動控制技術、WIFI無線通信技術等研發(fā)出基于stm32的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測中可實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、超限報警、遠程智能控制等功能。樣機測試結(jié)果表明，該設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測裝置測量結(jié)果準確、精度高、誤報率低，能夠滿足設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測工作，具有一定的應用價值。