基于STM32的智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

向鵬俊

（長江師范學院 大數(shù)據(jù)與智能工程學院，重慶 408100）

0 引 言

“智能大棚”是以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的一套集監(jiān)測、預警、控制于一體的現(xiàn)代化數(shù)字大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)。目前溫室大棚以人工管理為主，但人工操作存在較多弊端：首先，傳統(tǒng)大棚的監(jiān)測管理復雜，不利于管理人員的操作和對大棚環(huán)境的監(jiān)控，一旦出現(xiàn)操作失誤，影響作物的生長從而造成巨大的經(jīng)濟損失；其次，傳統(tǒng)大棚因設備安裝和布線復雜等原因?qū)е鲁杀据^高，對大規(guī)模種植經(jīng)濟作物的效益產(chǎn)生一定程度的影響；最后，人工管理方式效率低下，不利于作物的大規(guī)模種植。傳統(tǒng)大棚成本高、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)量低和效益低等缺點無法滿足當今數(shù)字化時代發(fā)展要求。隨著人民生活條件日益提高，開發(fā)智能大棚以滿足群眾需求勢在必行。

鑒于此，本文以STM32微處理器與樹莓派服務器為核心設計了一款智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)感知技術、物聯(lián)網(wǎng)控制技術和無線通信技術為基礎，通過無線通信技術將傳感器節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至樹莓派服務器，進行異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理和匯總。服務器對環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析處理，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應操作，以保證作物的生長處于最優(yōu)環(huán)境。因此，收集大棚作物生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合、存儲和可視化處理，觀察數(shù)據(jù)變化趨勢，預知風險，對大棚作物生長環(huán)境的安全具有重要意義。

該系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，即感知層、傳輸層和物理層。感知層部分采集當前大棚的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，在STM32中對環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理。傳輸層的WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸至樹莓派服務器并存儲節(jié)點數(shù)據(jù)，利用Qt、OneNET和Android中的hello chart模塊實現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的可視化，通過用戶終端實時查看大棚狀態(tài)，并支持用戶遠程操作，防止意外的發(fā)生。

1 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)硬件設計

基于STM32的智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)建立在傳感器節(jié)點的基礎上，各節(jié)點組成傳感網(wǎng)絡。本章將針對感知層進行詳細介紹。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，通過底層硬件的設計來提升系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)主要由溫濕度檢測模塊、電機控制模塊、光照強度檢測模塊、煙霧監(jiān)測模塊和報警模塊組成，利用多傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集技術，通過對數(shù)據(jù)的處理，完成對農(nóng)業(yè)設備、通風設備、噴水閥等的控制。電路原理如圖1所示。本章將對智能大棚控制管理系統(tǒng)中使用的硬件進行簡要介紹。硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理

圖2 STM32總體框架

1.1 微型處理器

本系統(tǒng)選擇的微型處理器為STM32F103ZET6，其擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和正確性。以STM32作為傳感器節(jié)點控制核心，通過A/D轉(zhuǎn)換將采集的模擬信號量轉(zhuǎn)為數(shù)字信號量，對區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)進行感知，如：溫度、濕度、光照強度和煙霧濃度等，再經(jīng)火焰?zhèn)鞲衅骱蚅298N電機驅(qū)動模塊操作，最終處理器將傳感器收集的數(shù)據(jù)匯總，傳輸至服務器對數(shù)據(jù)進行存儲與處理。

1.2 電機控制模塊

電機控制模塊選用L298N芯片驅(qū)動電機。通過接收STM32發(fā)送的電平信號對電機進行控制。通過改變電平信號，達到對電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的控制，實現(xiàn)對水泵的噴灑和開合。電機驅(qū)動模塊電路如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)動模塊電路

1.3 土壤濕度傳感器模塊

該模塊選用YL69土壤濕度傳感器對大棚內(nèi)農(nóng)作物生長的土壤濕度進行采集，傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸至STM32，系統(tǒng)根據(jù)預設土壤濕度值進行自動比較與判斷，進而執(zhí)行噴水閥的開啟與關閉操作，使農(nóng)作物生長土壤濕度處于最佳環(huán)境。土壤探頭接口電路如圖4所示。

圖4 土壤探頭檢測電路

1.4 煙霧傳感器模塊

選用MQ-2煙霧濃度監(jiān)測傳感器，通過監(jiān)測大棚內(nèi)部的煙霧氣體，可防范火災、提醒報警、控制噴水閥自動滅火。煙霧檢測電路如圖5所示。

圖5 煙霧檢測電路

1.5 二氧化碳傳感器模塊

系統(tǒng)采用MH-Z14二氧化碳氣體傳感器，利用非色散紅外原理對空氣中存在的二氧化碳進行探測。二氧化碳是農(nóng)作物光合作用的原料，二氧化碳施肥能促進植物的光合作用，提高植物光合作用率，因此，對二氧化碳含量的監(jiān)測控制具有重要意義。

1.6 光敏傳感器模塊

光敏模塊采用光敏傳感器對大棚環(huán)境光線強度進行采集。光照強度是農(nóng)作物生長的重要指標，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至STM32中，系統(tǒng)可根據(jù)作物生長情況提供適合的光照強度，執(zhí)行遮陽棚和燈具的開啟與關閉。

1.7 溫濕度檢測模塊

選用DHT11溫濕度傳感器采集大棚環(huán)境溫度和濕度信息，STM32向傳感器發(fā)送初始信號，并將數(shù)據(jù)線拉出至少18 ms；然后拉起數(shù)據(jù)線20～40 μs，等待DHT11響應。如果正確，DHT11將數(shù)據(jù)作為響應信號拉低，保持80 μs；DHT11拉起數(shù)據(jù)線，保持80 μs，輸出有效數(shù)據(jù)。采集狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖如圖6所示。溫濕度傳感器DHT11檢測電路如圖7所示。

圖6 DHT11采集狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖

圖7 DHT11檢測模塊電路

1.8 無線通信模塊

采用ESP8266為主芯片的WiFi通信模塊，ESP8266模塊采用串口與MCU通信，再通過透傳方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。通過WiFi模塊將各傳感器節(jié)點組成傳感網(wǎng)絡，將采集的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至服務器進行匯總處理。

2 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、服務器和用戶終端組成。智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過STM32根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)完成整體的執(zhí)行部件控制功能，將傳感器節(jié)點與STM32單片機相結(jié)合，實現(xiàn)底層感知控制系統(tǒng)；將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過多線程串口通信上傳到樹莓派嵌入式服務器，再存入嵌入式數(shù)據(jù)庫中，并在網(wǎng)關層的Qt軟件界面上實時顯示數(shù)據(jù)信息；網(wǎng)關作為客戶機，通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到Linux服務器并存儲到服務器的數(shù)據(jù)庫中，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時分析處理，再對數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化操作，使系統(tǒng)具備提前預警及預處理的功能。

2.1 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)功能模塊

（1）環(huán)境感知模塊：根據(jù)作物生長環(huán)境的情況，利用DHT11溫濕度傳感器進行大棚環(huán)境溫濕度采集：光敏傳感器實現(xiàn)光照強度的采集，MQ-2煙霧傳感器用于煙霧濃度的采集，最后將各傳感器模塊連接其對應的引腳。

（2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：配置STM32串口1，將RXT和TXD連接實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至服務器。

（3）執(zhí)行部件模塊：執(zhí)行部件選用L298N電機驅(qū)動模塊、蜂鳴器和LED燈，當傳感器數(shù)據(jù)達到閾值時啟動聲光報警模塊和水泵。同時接收應用層指令，完成相應的操作。

（4）數(shù)據(jù)存儲模塊：將傳感器節(jié)點發(fā)送的異構(gòu)數(shù)據(jù)進行分析處理，并存儲至MySQL數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)備案，為事故定責提供依據(jù)，便于數(shù)據(jù)分析處理。

（5）數(shù)據(jù)可視化模塊：本系統(tǒng)可為多個用戶終端提供可視化操作，針對不同用戶的使用需求，在網(wǎng)頁端使用OneNET平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化操作，PC端在Qt平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和設備控制功能，移動端使用Android APP對數(shù)據(jù)進行可視化操作和設備控制。

2.2 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)主要功能

2.2.1 智能灌溉

灌溉系統(tǒng)通過DHT11溫濕度傳感器模塊和YL69土壤濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過STM32完成與控制臺的通信，采集的環(huán)境數(shù)據(jù)與設定的閾值進行比較，對灌溉系統(tǒng)進行控制。濕控模塊包括灌溉裝置和除濕裝置。根據(jù)不同作物對生長環(huán)境的需求，設為當前作物生長所需土壤濕度，當土壤濕度傳感器檢測土壤濕度低于%RH時，主控單元控制灌溉系統(tǒng)工作，使土壤濕度保持在（±20）%RH范圍。設為當前生長作物所需空氣濕度，當DHT11溫濕度傳感器檢測空氣濕度超過%RH時，主控單元控制除濕裝置工作，使空氣濕度保持在（±15）%RH范圍。

2.2.2 智能警報

警報系統(tǒng)由溫濕度傳感器、煙霧傳感器和土壤傳感器等組合而成，可將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至STM32進行處理，并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制臺進行警報處理。系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)險情時會自動報警，報警單元包括蜂鳴器和報警燈。當環(huán)境數(shù)據(jù)異常時，發(fā)出聲光報警，提醒相關人員土壤濕度值低于閾值或有其他異?，F(xiàn)象發(fā)生，同時Qt控制臺顯示“土壤濕度過低請您注意”字樣，并通過GSM模塊發(fā)送至管理員手機報警。

2.2.3 智能遮陽

遮陽系統(tǒng)將光敏傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至STM32與設定的閥值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應的遮光或補光操作。光控單元包括補光裝置和遮光裝置，如光照強度檢測模塊檢測值小于2 500 Lux，則主控單元控制補光設備工作，反之控制遮光設備工作，使大棚內(nèi)光照強度處于2 500～3 500 Lux，針對不同作物進行不同的顯示。

2.2.4 智能溫控

通風系統(tǒng)根據(jù)DHT11溫濕度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)與預先設定的閾值進行比較，并采取相應的通風措施。如果溫度低于閾值20 ℃，則主控單元控制加熱裝置工作，升高室溫，反之執(zhí)行降溫操作。夜間，適當降低大棚溫度以降低植物呼吸消耗，溫度范圍為12～15 ℃。

3 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件設計

智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應用層。感知層基于Keil μVision5開發(fā)，實現(xiàn)STM32的數(shù)據(jù)采集、處理、融合和傳輸功能。應用層樹莓派服務器采用Python語言實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)的接收、處理和存儲。智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)由底層驅(qū)動程序、系統(tǒng)主程序、無線通信子程序、Linux服務器子程序、Qt顯示子程序和數(shù)據(jù)庫子程序等組成。程序進行初始化后，通過檢測函數(shù)檢測相應的觸發(fā)信號并對檢測結(jié)果進行處理，執(zhí)行對應的設備操作。智能大棚控制管理系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 智能大棚控制管理系統(tǒng)流程

根據(jù)應用層軟件平臺的需求，實現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示，將傳感器節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析處理做準備。選用MySQL數(shù)據(jù)庫進行增刪改查操作。數(shù)據(jù)庫E-R關系模型如圖10所示。

圖10 E-R關系模型

傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)庫見表1所列。

表1 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫的設計將相關聯(lián)的數(shù)據(jù)進行整合，在應用層平臺具有重要作用。從傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)表出發(fā)，通過各表之間的主鍵關聯(lián)建立數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，有利于數(shù)據(jù)庫維護，便于用戶對數(shù)據(jù)庫的增刪改查操作。本系統(tǒng)在樹莓派服務器上的MySQL數(shù)據(jù)庫上實現(xiàn)相關應用，支持多用戶、多線程訪問。

4 智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)安裝與測試

本系統(tǒng)硬件電路主要包括STM32F103 MCU、樹莓派服務器、無線通信模塊、傳感器檢測模塊和L298N電機控制電路。軟件部分主要由Qt平臺、MySQL數(shù)據(jù)庫、安卓APP和OneNET平臺組成。

為進一步驗證該系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，在實驗室模擬搭建智能大棚監(jiān)測管理系統(tǒng)，模仿作物最真實的生長環(huán)境，具體步驟如下所示：

（1）系統(tǒng)聯(lián)機測試，首先將程序代碼燒錄至STM32控制器，配置ESP8266無線通信模塊，調(diào)試好模塊后與STM32主控制器的串口相連，并與樹莓派服務器的端口相連；

（2）Qt控制臺連接樹莓派服務器的遠程數(shù)據(jù)庫，設置系統(tǒng)檢測順序優(yōu)先級，測試各傳感器節(jié)點的功能，將傳感器采集的信息通過STM32的WiFi模塊傳輸至樹莓派服務器，進行數(shù)據(jù)處理、儲存；

（3）Qt控制臺訪問服務器數(shù)據(jù)庫，進行環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示并支持遠程設備控制，實時觀察數(shù)據(jù)狀態(tài)，Qt控制平臺界面如圖11所示；

圖11 Qt控制平臺界面

（4）測試無線通信模塊的功能，將當前大棚各項環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至服務器，對數(shù)據(jù)進行解析處理，執(zhí)行相關操作，最終由OneNET平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。OneNET數(shù)據(jù)可視化平臺界面如圖12所示。

圖12 OneNET數(shù)據(jù)可視化平臺界面

通過各項測試說明，各電路模塊及通信模塊功能正常，能夠處理執(zhí)行預先設定的設備動作要求，系統(tǒng)完全滿足智能大棚控制管理的需求。數(shù)據(jù)庫存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)庫存儲環(huán)境數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文設計了一款基于STM32的智能大棚環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)。以STM32F103ZET6和樹莓派服務器為控制核心，結(jié)合Qt控制臺和OneNET平臺完成對大棚的控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)可視化。通過對大棚的智能控制以期達到提高作物產(chǎn)量、提升經(jīng)濟效益、減少工作人員工作量的目的。經(jīng)過實地測試，該系統(tǒng)具有檢測準確度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性強、檢測全面和成本低等特點。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)方案相比，部署快捷且成本低，采用無線通信覆蓋范圍大。經(jīng)測試，系統(tǒng)實驗階段運行良好，其實驗成果將為溫室大棚智能化的進一步發(fā)展提供參考。