基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

黃 健

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)越來越多的技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。目前，RFID技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、末端傳感器應(yīng)用、無線通信技術(shù)等日趨成熟，并在智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展中起著舉足輕重的作用。在發(fā)展的過程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率得到顯著提升，農(nóng)產(chǎn)品效益明顯增加，推動(dòng)國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的步伐穩(wěn)步前進(jìn)[1]。

部分國家已推出和實(shí)施支持智能農(nóng)業(yè)發(fā)展的政策和法規(guī)。 美國率先提出了“精確農(nóng)業(yè)”的概念，已相繼頒布了六項(xiàng)與農(nóng)業(yè)信息化有關(guān)的法律法規(guī)和發(fā)展計(jì)劃。 在信息、科研、教育、基礎(chǔ)設(shè)施、投資等方面，明確需促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的發(fā)展[2]，為“智慧農(nóng)業(yè)”及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的政策支持和資金支持。

自第二次世界大戰(zhàn)以來，荷蘭政府一直在執(zhí)行農(nóng)業(yè)保護(hù)政策。荷蘭政府和歐盟一直堅(jiān)持對農(nóng)業(yè)進(jìn)行大力補(bǔ)貼，以推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)知識創(chuàng)新研究體系的建設(shè)[3]。

綜上，可以看到世界各地目前都在建立資金池，大力推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，所以進(jìn)行農(nóng)業(yè)智慧化改造和新建迫在眉睫。

1 基本思路

基于STM32的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容主要為智慧畜牧業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)。系統(tǒng)包括五層，分別是終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層、用戶層。

（1）終端層：該層包含終端智能檢測設(shè)備與傳感器設(shè)備，例如：環(huán)境溫度傳感器、土壤水分傳感器、體溫監(jiān)測器、血壓監(jiān)測器、定位電子標(biāo)簽及其他傳感器設(shè)備的開關(guān)調(diào)節(jié)控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：采用現(xiàn)代無線通信技術(shù)或自組網(wǎng)絡(luò)，將終端設(shè)備上送的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至平臺層服務(wù)器。

（3）平臺層：平臺層包含大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺、云計(jì)算平臺以及云存儲(chǔ)中心，對系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、存儲(chǔ)，并根據(jù)用戶需求展示在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[4]。

（4）應(yīng)用層：該層主要為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)際應(yīng)用的各個(gè)場景，例如畜牧養(yǎng)殖、作物養(yǎng)殖、環(huán)境監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等，精確鎖定用戶需求與不同行業(yè)的功能場景。

（5）用戶層：用戶可通過多種方式對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行管理和監(jiān)控，通過便攜的移動(dòng)端與平板電腦，以及適合辦公需求的PC電腦等，輕松滿足各種使用需求[5]。

2 智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的是終端模塊的設(shè)計(jì)，主要包括WiFi無線通信、體溫采集、血壓監(jiān)測、LCD顯示、報(bào)警等功能。

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的主控制芯片采用ST意法半導(dǎo)體公司出品的32位ARM芯 片STM32F103VCT6。STM32F103VCT6是ST公司出品的基于Cortex-M3系列的32位ARM微控制器，它提供的產(chǎn)品結(jié)合了非常優(yōu)異的性能，擁有比一般CPU更高的處理性能[6]、實(shí)時(shí)能力、數(shù)字信號處理能力，具有良好的低功耗和低電壓操作能力，支持無線連接，同時(shí)保持完全集成且易于開發(fā)。STM32F103微控制器是基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的核心，帶有大量的工具和軟件選擇，因此該產(chǎn)品系列是小型項(xiàng)目或整個(gè)系統(tǒng)平臺的理想選擇。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵就是電源方案的穩(wěn)定性，電源就是系統(tǒng)的心臟，好的電源方案才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)。電源考慮的一個(gè)重點(diǎn)就是電源功率的選擇，以及供電方式。本次設(shè)計(jì)由于需要測量體溫、血壓等參數(shù)，因此選用電池供電。電池為直流供電方式，電源模塊主芯片采用LDO，STM32芯片的供電電壓為3.3 V，這里選用RT9013-33電源模塊。LDO芯片能夠提供穩(wěn)定的3.3 V直流電壓輸出，輸入供電范圍較為寬泛，滿足電池供電的電壓范圍。圖2為供電模塊設(shè)計(jì)圖。

圖2 供電模塊設(shè)計(jì)圖

2.3 晶振時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

作為最小系統(tǒng)，晶振模塊和時(shí)鐘必不可少。實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）精度是大多數(shù)嵌入式應(yīng)用程序的要求，但是由于外部環(huán)境-溫度變化，晶體的頻率變化時(shí)鐘RTC-RTC精度可能不如預(yù)期的準(zhǔn)確。嵌入在STM32F103XX中的RTC帶有一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘適用于制造環(huán)境的校準(zhǔn)電路[7]，允許應(yīng)用補(bǔ)償晶體和溫度的變化。本設(shè)計(jì)主晶振采用8 MHz無源晶體振蕩器，時(shí)鐘模塊采用32.768 kHz無源晶體振蕩器。

晶振需靠近芯片端放置，以有效減少干擾和寄生參數(shù)。晶振與芯片位置的推薦距離為0.8 mm。同時(shí)，晶振走線不能跨層。晶振輸入輸出的旁路電容靠近芯片左右側(cè)擺放，盡量不要放在走線上[8]。晶振為敏感器件，晶振周圍不能有磁感應(yīng)器件，比如大電感等。時(shí)鐘晶振設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘晶振設(shè)計(jì)圖

2.4 WiFi無線通信模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)離不開通信技術(shù)，本次設(shè)計(jì)采用成熟的WiFi通信方式，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。本次設(shè)計(jì)WiFi模塊采用樂鑫ESP8266模塊，該模塊具有如下特征：

（1）性能穩(wěn)定[9]。ESP8266EX的工作溫度范圍大，且能夠保持穩(wěn)定的性能，可適應(yīng)各種操作環(huán)境。

（2）高度集成。ESP8266EX集成了32位Tensilica處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻balun、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等，即用極小的模塊體積完成了PCB電路板中的大部分設(shè)計(jì)。

（3）低功耗。ESP8266EX專為移動(dòng)智能設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，功耗極低。ESP8266EX具有省電模式，可供各種低功耗應(yīng)用場景使用。

（4）ESP8266EX內(nèi)置超低功耗 Tensilica L106 32位RISC處理器，CPU 時(shí)鐘速度最高可達(dá)160 MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）和WiFi協(xié)議棧，可將高達(dá)80%的處理能力留給應(yīng)用編程和開發(fā)。模組整體電路如圖4所示。

圖4 模組整體電路

2.5 體溫監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

體溫監(jiān)測模塊需要貼附于被測樣本的體表，本次設(shè)計(jì)采用鉑熱電阻Pt100體溫監(jiān)測標(biāo)簽。Pt100在0 ℃時(shí)阻值為100 Ω，隨著溫度的增長，Pt100的阻值成線性增長，利用該特性進(jìn)行溫度的采集，然后通過數(shù)據(jù)標(biāo)定完成溫度傳感器的設(shè)計(jì)。體溫監(jiān)測模塊電路如圖5所示，為Pt100設(shè)計(jì)的溫度采集模塊。

圖5 體溫監(jiān)測模塊電路

3 結(jié) 語

我們調(diào)研了當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題，并在畜牧養(yǎng)殖方面進(jìn)行了深入研究和探索，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能畜牧養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)，包含對牲畜在生長發(fā)育過程中所處環(huán)境、生長狀態(tài)、日常活動(dòng)情況、特殊發(fā)情期等不同方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到了對牲畜的全方位準(zhǔn)確、有效監(jiān)管，提升了養(yǎng)殖工作者的管理效率與牲畜生產(chǎn)效益。從而進(jìn)一步推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)的步伐，同時(shí)更全面擴(kuò)展了智慧農(nóng)業(yè)在牲畜養(yǎng)殖方面的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)采用STM32F103主控芯片，通過對主控模塊、WiFi無線通信模塊、顯示模塊、血壓監(jiān)測模塊、體溫測試模塊等的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能終端硬件與軟件功能應(yīng)用的開發(fā)[10]。

作為智慧農(nóng)業(yè)的重要組成部分，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能監(jiān)控終端達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在后續(xù)的工作和學(xué)習(xí)中，智慧農(nóng)業(yè)的平臺側(cè)還需要進(jìn)一步的研究和實(shí)現(xiàn)。

我們以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化、管理高效化、服務(wù)便捷化為目標(biāo)，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務(wù)全面融合發(fā)展為己任，通過智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中的研究與探索， 逐步提升政府管理能力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)整體產(chǎn)業(yè)升級，普惠農(nóng)村農(nóng)民。