基于STM32的智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王丹　姚竟發(fā)　崔秀艷等

關鍵詞：STM32；遠程監(jiān)測；智慧農業(yè)

0 引言

我國是農業(yè)大國，目前在我國傳統(tǒng)農業(yè)生產方式依然普遍存在，缺乏高效的農業(yè)監(jiān)測手段，對于農作物的生長環(huán)境不能準確及時掌握，同時無法為農作物提供最佳生長環(huán)境。種植方式過度依賴經驗，比如過度使用化學肥料，除造成農作物產量偏低外，還會使生態(tài)環(huán)境受到破壞。與此同時，我國人口老齡化嚴重，農業(yè)種植勞動力大大減少，如何對土地資源進行高效利用、投入較少人力物力、降低農作物種植成本，同時實現(xiàn)質量優(yōu)、產量高的可持續(xù)發(fā)展種植策略是目前農業(yè)種植中面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對以上問題，本文主要設計一種基于STM32 的智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、用戶終端、外設4 個部分組成。通過空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度及氮磷鉀含量、土壤PH 值傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過手機APP 或者PC 端直觀查看環(huán)境的變化同時進行相應的外設調控。

1 系統(tǒng)主要功能

智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)主要功能如圖1 所示，包括各類傳感器、顯示屏、控制器及系統(tǒng)軟件等組成部分。系統(tǒng)綜合利用嵌入式、物聯(lián)網、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，通過顯示屏顯示基礎環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可通過手機APP或PC 端，實時觀測農作物生長環(huán)境信息，并根據(jù)系統(tǒng)提供的最優(yōu)生產環(huán)境，遠程控制農業(yè)外設，持續(xù)為農作物生產提供最優(yōu)生長條件，實現(xiàn)農業(yè)種植智能化管理，農作物高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全產出。

2 開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件包括STM32F407，CC2530，F(xiàn)ibocom L610，BH1750 光照強度傳感器，DHT11 溫濕度傳感器，土壤pH 傳感器，土壤溫濕度氮磷鉀傳感器。RT-Thread 版本：RT-Thread Nano 3.1.3。開發(fā)工具及版本：MDK 5.27STM32CubeMx RT-Thread 使用情況概述：內核部分包括調度器、信號量、線程。 調度器：創(chuàng)建多個線程來實現(xiàn)不同的工作。

線程：uart2_rx_thread_entry和led_thread_entry uart2_rx_thread_entry 線程接收到串口2 中斷回調函數(shù)釋放的信號量后，對數(shù)據(jù)進行整理并上傳至阿里云；led_thread_entry 線程使LED 間隔1 秒閃爍，提示系統(tǒng)正在運行。

3 硬件系統(tǒng)設計

智慧農業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分由終端節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、STM32F407 通訊網關、云服務器五部分組成。終端節(jié)點以CC2530 為核心通過傳感器采集空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度、土壤氮磷鉀含量以及土壤pH 值數(shù)據(jù)信息并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到路由器，再經路由器轉發(fā)至協(xié)調器[2]，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉發(fā)給STM32F407通訊網關，STM32F407 通訊網關完成數(shù)據(jù)匯總，解析，打包，在LCD 上顯示采集到數(shù)據(jù)，并通過GPRS 上傳數(shù)據(jù)至阿里云IOT 平臺，阿里云IOT 平臺將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統(tǒng)，形成“采集—顯示—控制”于一體的閉環(huán)控制模式[2]。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集主要包括傳感器和電源模塊。系統(tǒng)電源模塊組成為鋰電池組結合太陽能版，可以最大限度節(jié)約能源[3]。太陽能版可以為設備持續(xù)供電，供電支撐不足的情況，可通過對鋰電池充電，確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。對農作物種植環(huán)境的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集主要通過各類傳感器實現(xiàn)，采集不同農作物種植環(huán)境數(shù)據(jù)，對農作物生長環(huán)境實現(xiàn)實時監(jiān)測[3]。本系統(tǒng)主要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)包括空氣溫度、空氣濕度、土壤氮磷鉀、光照度、土壤濕度、土壤溫度、土壤PH 值等。以下為本系統(tǒng)包含的傳感器類型[10]。

3.1.1 空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度傳感器使用DHT11 型號，他的工作原理是把空氣中的溫濕度通過一定監(jiān)測裝置，測量到溫濕度以后，按一定的規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出。溫濕度傳感器的測量必須在允許頻率范圍內同時保持測量條件不失真，被測量的頻率范圍會受頻率響應特性影響，傳感器響應時間會有一定延遲，其頻率響應越高，實際可測量的信號頻率范圍也就越寬。在系統(tǒng)的動態(tài)測量中，依據(jù)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）響應特性，避免產生誤差。

3.1.2 光照傳感器光照傳感器

使用BH1750 型號，內部結構包括運算放大器、光敏二極管、晶振、ADC 采集等部分。電路工作原理：如圖2 所示，光信號輸入以后，經過PD 二極管產生光生伏特效應，最后轉換成電信號，再經過運算放大電路進行放大，產生的電壓被ADC 模塊采集，再經過邏輯電路轉成可直接在內部寄存機存儲的十六位二進制[3]。電壓和光強度是一一對應的關系，也就是說當進入光窗光強度越大時，光電流和電壓也會越大，他們不成完全正比關系，但是我們可以通過電壓的大小計算光照大小[3]。BH1750 引出時鐘、數(shù)據(jù)線，STM32 與傳感器通訊主要通過I2C 協(xié)議，從BH1750 寄存器中讀取光照度數(shù)據(jù)[3]。

3.1.3 土壤溫濕度及氮磷鉀傳感器

土壤濕度傳感器采用型號MC-4IN1，該類型的傳感器既可以監(jiān)測土壤溫濕度，也可以監(jiān)測土壤中的電導率、鹽分、氮、磷、鉀等數(shù)據(jù)。工作原理是利用熱敏及濕敏電阻來測量土壤溫濕度[6]。進行溫度測量時，熱敏電阻值隨土壤溫度變化，通過測量電阻值進而測量土壤溫度。濕度測量時，濕敏電阻值隨土壤濕度變化，通過測量電阻值進而測量土壤濕度。由于其工作原理是基于電阻值變化，因此需使用專門電路處理，包括放大器、濾波器、數(shù)字轉換器等，將采集到的土壤溫濕度以數(shù)字量形式輸出到單片機系統(tǒng)，經AD 轉換進行顯示，電路圖如圖3 所示[6]。

監(jiān)測氮磷鉀的工作原理是將測量的電導率值乘以相應系數(shù)得出氮、磷、鉀含量值，傳感器為探針式，使用方便，且防水、防腐蝕性能好，探針可長時間埋入土壤進行數(shù)據(jù)觀測[6]。通過檢監(jiān)測壤中氮磷鉀的含量來判斷土壤肥沃程度，方便對土壤養(yǎng)分情況進行評估，電源接口為寬電壓，電源輸12～24 V 均可。

3.1.4 土壤pH值傳感器

土壤pH 傳感器采用型號OSA-60，它的工作原理是，硬件系統(tǒng)的核心是金屬傳感器，傳感器的電極直接接觸被測土壤，通過氧化還原化學反應產生電流，對電流值進行分析分段，驅動電流表顯示對應pH 值數(shù)據(jù)。通過主機轉換，以數(shù)值的形式進行結果顯示。土壤pH傳感器的測量區(qū)域一般為：以兩探針中央為中心，直徑為125 px，與探針等高的圓柱體內。測量范圍一般為：pH=3～8。常用測試方法有2 種，一是速測法，選定需要測量的地塊，挖開到需測量的深度，避開堅硬物體，將鋼針直插入土壤中，在被測土地的不同位置進行多次測量取平均值。二是埋地測量法，挖1 個直徑>20 cm的深坑，將鋼針水平插入坑壁，填埋穩(wěn)定一段時間后，即可對土壤pH 值進行長時間的測量。

3.2 ZigBee無線通信模塊

數(shù)據(jù)采集完成以后，通過ZigBee 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee 基于IEEE802.15.4 進行通信，是一種無線網絡通信協(xié)議，適和應用到距離短、速率低、功耗低的場所，工作頻段可分為：868 MHz、915 MHz、2.4 GHz，網絡傳輸舉例最短10 m 最長100 m，最高數(shù)據(jù)速率為250 kbit/s[1]。ZigBee 網絡的3 類硬件支撐包括協(xié)調器、路由器和終端，協(xié)調器主要進行網絡的建立和初始化，ZigBee 結構中使用唯一協(xié)調器節(jié)點接收外部設備數(shù)據(jù)信息[1]。新節(jié)點加入和已有節(jié)點退出必須經過路由器關卡允許，協(xié)調器節(jié)點可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息轉發(fā)功能，有時也可作為過渡節(jié)點使用[1]。終端節(jié)點在ZigBee 網絡中主要負責數(shù)據(jù)采集，同級終端之間不允許直接通信，但是可以借助路由器或者協(xié)調器進行通信[1]。

星型、網型、樹型是常見的3 種ZigBee 網絡拓撲結構[1]。星形結構特點是協(xié)調器節(jié)點位于整個網絡的中心[1]，外圍分布若干個終端節(jié)點，這種網絡拓撲結構通行鏈路單一，協(xié)調器出現(xiàn)問題可能導致整個網絡系統(tǒng)故障。樹形網絡拓撲中包含過渡節(jié)點-- 路由器節(jié)點、其他路由器節(jié)點、終端節(jié)點，復雜度低便于維護[1]。MESH 網絡拓撲結構中路由器間可直連通信[1]，這種結構靈活性高，部分傳輸鏈路出現(xiàn)故障時，其他路徑自動進行數(shù)據(jù)傳送通信[1]，保障網絡暢通。

本系統(tǒng)選用的是 MESH 網絡拓撲結構，如圖4 所示，這種結構實現(xiàn)終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點的分層互通，結構搭建容易且便于維護，同時最大程度擴大監(jiān)測面積[1]。依據(jù)IEEE802.15.4 標準，ZigBee 通信網絡中的設備具有唯一地址，包含64 位物理地址及16 位網絡地址兩種設備地址[1]。本系統(tǒng)選用CC2530 單片機的物理地址，可通過數(shù)據(jù)手冊進行查看。熟知每個設備的網絡地址，若單設備出現(xiàn)異常[1]，可通過網絡地址快速鎖定出現(xiàn)故障節(jié)點，方便無線傳感網絡的運行及維護[1]。

4 軟件系統(tǒng)設計

整個軟件系統(tǒng)由協(xié)調器軟件設計、終端節(jié)點軟件設計、PC 監(jiān)測管理3 個部分組成，具體功能如下。

4.1 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器軟件是整個數(shù)據(jù)傳送網絡重要部分，在整個系統(tǒng)中扮演網關的角色，使用ZigBee 無線通信，與CC2530 數(shù)據(jù)處理器芯片組合。硬件端采集到所有環(huán)境數(shù)據(jù)后，按照協(xié)議將所有數(shù)據(jù)封裝成包。并將這些數(shù)據(jù)包上傳到阿里云IOT 平臺。上傳到服務器時采用的協(xié)議是MQTT 協(xié)議；阿里云IOT 平臺將數(shù)據(jù)包通過AMQP服務端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統(tǒng)的后端服務器；智慧農業(yè)系統(tǒng)的后端服務器按照規(guī)則完成數(shù)據(jù)包的解析，并將解析出的環(huán)境數(shù)據(jù)存入MySql 數(shù)據(jù)庫中；后端將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中取出發(fā)送到前端顯示所有環(huán)境數(shù)據(jù)。

4.2 終端節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)終端是用戶遠程控制系統(tǒng)，包括手機APP和PC 端程序，主要作用是實現(xiàn)農業(yè)種植戶遠程實時觀測農作物生長環(huán)境。通過應用程序，種植戶接收 ZigBee網絡傳送過來的數(shù)據(jù)，綜合農作物生長監(jiān)測環(huán)境與最優(yōu)生長環(huán)境，遠程控制噴淋、農藥等農業(yè)外設，為農作物生長提供最優(yōu)環(huán)境。終端節(jié)點采集各項數(shù)據(jù)，經協(xié)調器進行初始化后加入數(shù)據(jù)處理網絡，清除原有數(shù)據(jù)，判斷節(jié)點合法性，確定合法后申請加入數(shù)據(jù)處理網絡[2]，加入網絡后，控制溫濕度、光照、土壤溫濕度氮磷鉀、PH 值等傳感器采集數(shù)據(jù)，經終端節(jié)點傳至協(xié)調器，保證安全、及時、準確傳送數(shù)據(jù)[2]。

4.3 PC主機監(jiān)測軟件設計

本系統(tǒng)PC主機監(jiān)測主要包括調節(jié)農作物光照時長、空氣溫濕度度、土壤溫濕度氮磷鉀養(yǎng)分等等。系統(tǒng)主要由用戶管理、通信、信息管理和數(shù)據(jù)管理四部分組成，用戶管理是用戶登錄入口，用戶可以進行賬戶設置；通信部分功能是管理數(shù)據(jù)傳輸過程，包括數(shù)據(jù)傳送、節(jié)點管理兩部分；信息管理功能是存儲農作物生長數(shù)據(jù)，包括設備管理、生長記錄[2]；數(shù)據(jù)管理作用是保障農作物生長環(huán)境保持最優(yōu)狀態(tài)，當單個環(huán)境值超過閾值通過通信系統(tǒng)對種植戶做出預警，包括數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)閾值設定、數(shù)據(jù)存儲及傳送[9]。

5 系統(tǒng)測試與優(yōu)化

將整個智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)布置在室外環(huán)境進行系統(tǒng)測試，啟動系統(tǒng)硬件端的開關后，部署的各類傳感器開始監(jiān)測空氣溫濕度、光照度、土壤PH 值、土壤溫濕度計氮磷鉀、土壤PH 值等環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee 通信模塊將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至云平臺。此時，打開 PC 端或手機APP 端能夠查看環(huán)境監(jiān)測參數(shù)信息，如圖 5 和圖 6 所示。

6 結束語

隨著科技不斷進步，我國農業(yè)智能化發(fā)展越來越高，本文設計的智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)[2]，主要通過各類傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并通過ZigBee 協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)到路由器，再經路由器轉發(fā)至協(xié)調器，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后通過串口把數(shù)據(jù)轉發(fā)給通訊網關，通訊網關完成數(shù)據(jù)匯總，解析，打包，通過GPRS 上傳數(shù)據(jù)至阿里云IOT 平臺，再通過AMQP 服務端訂閱轉發(fā)到智慧農業(yè)系統(tǒng)，種植戶通過手機APP 或PC 端實時監(jiān)測農作物生長環(huán)境并對外設進行控制。為種植戶增產增收提供有力的保障，對我國的農作物產量提升及傳統(tǒng)農業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字化轉型具有重要意義[10]。