基于STM32 的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡述

劉喜華

（開封技師學(xué)院，475000，河南開封）

農(nóng)業(yè)大棚作為不需要過分依賴外界環(huán)境的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施在農(nóng)業(yè)發(fā)展中大受歡迎，其可以獨(dú)自為農(nóng)作物營造適宜的生長環(huán)境，但往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行控制。由于缺乏智能測控系統(tǒng)，其控制的精度往往不足。在此情況下，需要加快農(nóng)業(yè)大棚智能測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

1 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的因素

農(nóng)業(yè)大棚中的農(nóng)作物生長主要依靠農(nóng)作物的光合作用，一般對(duì)于大棚而言，影響作物光合作用的可控影響因素主要有溫度、濕度、光照及CO2濃度等，不同的因素對(duì)作物生長的影響不同。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能測控，以STM 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出智能測控系統(tǒng)，需要對(duì)上述幾種因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 溫度

農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫度對(duì)農(nóng)作物的生長影響非常大。從發(fā)芽、根系生長到農(nóng)作物的光合作用等生理活動(dòng)，都會(huì)受到大棚內(nèi)溫度的影響且非常直接。溫度對(duì)農(nóng)作物的新陳代謝影響較大，溫度適宜的環(huán)境下，農(nóng)作物生長的質(zhì)量最好、產(chǎn)量最高、速度最快。對(duì)于大棚作物而言，其日間最適宜的溫度在23～30 ℃之間，夜間最適宜的溫度在10～18 ℃之間[1]。

1.2 濕度

（1）空氣的濕度?？諝獾臐穸炔⒉皇侵缸匀恢械拇髿鉂穸?，而是指大棚內(nèi)的相對(duì)濕度。大多數(shù)農(nóng)作物對(duì)空氣濕度較為敏感。當(dāng)其相對(duì)濕度適宜時(shí)，大棚內(nèi)的農(nóng)作物將會(huì)減緩蒸騰作用，加快光合作用，獲得更好的生長。相對(duì)濕度過大或過小則會(huì)影響農(nóng)作物的生長狀況，濕度過小時(shí)農(nóng)作物生長較為緩慢，濕度過大時(shí)農(nóng)作物的產(chǎn)量將會(huì)降低，也會(huì)出現(xiàn)黑斑病等病害。

（2）土壤的濕度。不同的土壤濕度對(duì)農(nóng)作物生長所需水分的供應(yīng)有決定性影響，土壤中合適的水分是農(nóng)作物健康生長的保證。土壤濕度過于低下、出現(xiàn)土壤干旱的情況時(shí)，農(nóng)作物的光合作用將會(huì)由于水分的不足而效率降低，農(nóng)作物也會(huì)生長得較慢；而土壤濕度過高也會(huì)影響微生物的活動(dòng)，進(jìn)而對(duì)植物的根系造成破壞，出現(xiàn)俗稱的爛根現(xiàn)象，影響農(nóng)作物根系的生長發(fā)育，自然無法為農(nóng)作物提供充足的營養(yǎng)使其生長。除此之外，土壤的濕度還會(huì)影響農(nóng)作物對(duì)光照的需求。

1.3 光照

農(nóng)作物的生長離不開充足的光照，光照作為農(nóng)作物進(jìn)行光合作用不可或缺的重要條件，其為農(nóng)作物的生長提供了大量能量，光照是否充足影響著農(nóng)作物在大棚內(nèi)的產(chǎn)量。只有對(duì)光照進(jìn)行合理的控制，確保農(nóng)作物獲得充足的光照時(shí)間，具備合適的光照強(qiáng)度，才能夠幫助大棚內(nèi)的農(nóng)作物健康生長。對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)農(nóng)作物而言，通常其光照需要介于補(bǔ)償點(diǎn)與飽和點(diǎn)之間，且需要充足的時(shí)間。當(dāng)外界沒有光照或因季節(jié)變化導(dǎo)致光照時(shí)間不足時(shí)，需要進(jìn)行人工補(bǔ)光，為農(nóng)作物提供光照保障。

1.4 CO2 濃度

對(duì)于農(nóng)作物的生長而言，光合作用是其必不可少的，CO2作為光合作用必要條件之一，其濃度對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量具有較大的影響。尤其對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚此類小型生態(tài)系統(tǒng)而言，農(nóng)作物進(jìn)行光合作用需要消耗的CO2量非常多，受到農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部空氣不流通的影響，大棚內(nèi)CO2的濃度隨著種植時(shí)間的延長越來越低，導(dǎo)致農(nóng)作物的光合作用難以進(jìn)行，進(jìn)而影響其生長速度，同時(shí)也會(huì)給農(nóng)作物帶來病蟲害的困擾[2]。

2 STM32 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32 的智能測控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中將會(huì)應(yīng)用傳感器技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)及通信技術(shù)等較為先進(jìn)的技術(shù)，通過智能化的調(diào)控，為農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的農(nóng)作物長期提供既適宜生長又較為穩(wěn)定的生長環(huán)境條件。本設(shè)計(jì)中可以采取的傳感技術(shù)較多，例如分布式光纖傳感技術(shù)、多傳感器技術(shù)等。其中，分布式光纖傳感技術(shù)是較為新型的現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)手段之一，是傳感器的深入發(fā)展，能夠?qū)⒈O(jiān)測位置的傳遞函數(shù)實(shí)現(xiàn)，從其設(shè)備測試端獲取到布里淵頻移量后就能夠順勢計(jì)算出農(nóng)業(yè)大棚中待測物的應(yīng)變值，同時(shí)獲取其溫度值。此類傳感技術(shù)能夠通過線性計(jì)算了解大棚內(nèi)的溫度與應(yīng)變值，反應(yīng)速度快，監(jiān)測效率較高。而多傳感器技術(shù)則需要建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)容為農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)相關(guān)的監(jiān)測信息，并構(gòu)建預(yù)測變形模型，將預(yù)警指標(biāo)定量化，形成嚴(yán)格的指標(biāo)體系，再將實(shí)時(shí)監(jiān)控獲得的多元數(shù)據(jù)與預(yù)警模型融合。自動(dòng)化控制技術(shù)以云技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，秉持大數(shù)據(jù)理念進(jìn)行自動(dòng)化智能監(jiān)測控制工作。智能監(jiān)控主要能夠監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)影響農(nóng)作物生長的各種因素例如濕度、溫度等，讀取獲得的數(shù)據(jù)后將相關(guān)數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入云端，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，該技術(shù)能夠在很大程度上提高監(jiān)測的效率，其獲得的分析數(shù)據(jù)更加精確，獲取數(shù)據(jù)的速度也更快。智能控制則是利用自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)調(diào)整大棚內(nèi)不符合農(nóng)作物生長需求的因素直至其符合大棚內(nèi)設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)中使用的通信技術(shù)為無線電子通信，例如藍(lán)牙、ZigBee、WiFi 等技術(shù)，無線通信技術(shù)能夠幫助智能測控系統(tǒng)更快地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)部的實(shí)時(shí)測控。

該設(shè)計(jì)的總體方案將其分為數(shù)據(jù)采集單元與控制單元兩個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集單元?jiǎng)t是主要利用傳感器對(duì)大棚內(nèi)部的濕度、光照、溫度及CO2濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其構(gòu)成模塊不僅包括傳感器，還包括STM32 微控制器及485 通信，大棚內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳遞到STM32 微控制器模塊之中，電源模塊與通信模塊也和STM32 微控制器模塊緊密聯(lián)系。硬件設(shè)計(jì)中的控制單元?jiǎng)t是該系統(tǒng)的核心。其具有顯示實(shí)時(shí)參數(shù)、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、聲光報(bào)警及設(shè)定參數(shù)等多方面功能。整個(gè)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)以微控制模塊為核心，搭載報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊及通信模塊，除此之外，其還需要配合輸出控制模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境調(diào)控的功能[3]。

3 STM32 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該智能測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以硬件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行模塊化構(gòu)建，在總體設(shè)計(jì)中一共包含兩大部分，一部分為數(shù)據(jù)采集單元，另一部分為控制單元。控制單元包括系統(tǒng)設(shè)置、按鍵處理、智能控制、實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警及數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)采集單元包括數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)采集的功能。數(shù)據(jù)采集單元最主要的作用為采集農(nóng)業(yè)大棚中的各項(xiàng)參數(shù)并將其傳輸至軟件的控制單元之中。軟件工作的流程為初始化系統(tǒng)，將傳感器中的數(shù)據(jù)一一讀取后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，循環(huán)等待串口終端。當(dāng)串口中斷時(shí)，從中斷入口接收串口的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)作出簡單的判斷，判斷其是否需要被傳送至控制單元。若判斷需要傳送，則會(huì)通過數(shù)據(jù)傳輸輸送到控制單元中；如果判斷為不需要?jiǎng)t結(jié)束流程。控制單元中的任務(wù)較多，其不僅需要進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制的結(jié)合，進(jìn)行按鍵掃描處理，還需要處理數(shù)據(jù)采集單元輸送的數(shù)據(jù)，必要時(shí)還需要進(jìn)行聲光報(bào)警?？刂茊卧呀邮盏降霓r(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)和設(shè)定好的正常值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各項(xiàng)不達(dá)標(biāo)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過嚴(yán)格把控各項(xiàng)影響農(nóng)作物生長的參數(shù)，為其生長提供穩(wěn)定、安全的保障。其工作流程如下所述：初始化系統(tǒng)，選擇合適的模式，其一共具有三種模式，分別為手動(dòng)模式、自動(dòng)模式和設(shè)定模式。當(dāng)選擇手動(dòng)控制模式時(shí)，需要手動(dòng)處理大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并將情況實(shí)時(shí)顯示出來，當(dāng)其數(shù)據(jù)超過正常限制時(shí)，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，控制完成后輸出到執(zhí)行結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)沒有超過限制時(shí)需要再次進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)選擇自動(dòng)控制的模式時(shí)流程與手動(dòng)控制相同，但當(dāng)數(shù)據(jù)超過參數(shù)限制之后，自動(dòng)控制可以通過智能調(diào)節(jié)的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，調(diào)控完成之后再將其輸出；設(shè)定模式不參與數(shù)據(jù)判斷，而是在系統(tǒng)中設(shè)定農(nóng)作物生長的參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完成之后再進(jìn)行手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的選擇。控制單元與數(shù)據(jù)采集單元之間通過RS485 連接。

4 結(jié)論

在STM32 的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的智能測控系統(tǒng)，需要關(guān)注溫度、空氣與土壤的濕度、光照及CO2濃度等大棚內(nèi)的因素，做好系統(tǒng)中硬件和軟件的設(shè)計(jì)，為農(nóng)業(yè)大棚提供智能化的測控服務(wù)。