基于STM32的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

摘 要：本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6單片機(jī)為控制核心的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有多個(gè)采集數(shù)據(jù)的傳感器，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi通信顯示在云端上，可通過(guò)手機(jī)小程序查看植株的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到的特定數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)或者根據(jù)攝像頭處理識(shí)別植株的生長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)會(huì)主動(dòng)開(kāi)啟調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠保證環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)控制在作物生長(zhǎng)適宜的范圍內(nèi)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；ANN算法；AI；OneNET；ESP8266

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-0-04

0 引 言

我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)相比存在明顯差距。問(wèn)題主要表現(xiàn)在機(jī)械化、智能化的普及不足，高素質(zhì)人才的缺失、農(nóng)業(yè)人口不斷減少、老齡化嚴(yán)重等。這些年，我國(guó)通過(guò)不斷向外學(xué)習(xí)成功經(jīng)驗(yàn)，借助現(xiàn)代科技發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)來(lái)推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化[1]。通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)“跨界”引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在大大提高效率的同時(shí)，減輕了農(nóng)業(yè)人口不斷流失和農(nóng)業(yè)人口老齡化所帶來(lái)的不利影響，推動(dòng)著我國(guó)農(nóng)業(yè)朝著高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的方向發(fā)展[2]。

本文設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6單片機(jī)[3]為控制核心的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，包含采集模塊、控制模塊、通信模塊、AI攝像頭模塊，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸、云平臺(tái)數(shù)據(jù)上傳、本地監(jiān)控及微信小程序的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)系統(tǒng)采用AI技術(shù)對(duì)植株的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 總體方案描述

該系統(tǒng)由STM32F103ZET6主控芯片、圖像識(shí)別模塊、pH傳感器模塊、二氧化碳模塊、土壤濕度模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、光敏檢測(cè)模塊、WiFi模塊、繼電器水泵模塊、OLED顯示器模塊構(gòu)成。其中單片機(jī)收集以上數(shù)據(jù)并判斷是否需要溫度、濕度、酸堿度補(bǔ)償，并通過(guò)OneNET上傳至用戶端實(shí)現(xiàn)報(bào)警、控制、實(shí)時(shí)顯示等功能?？傮w方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

本產(chǎn)品使用高性能的以STM32F103ZET6為內(nèi)核的32位微控制器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，具有64 KB SRAM、512 KB FLASH、多個(gè)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道），可以同時(shí)兼容多種通信模式[4]。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 土壤濕度傳感器

本系統(tǒng)選擇了YL-69土壤濕度傳感器[5]檢測(cè)土壤濕度，硬件實(shí)物以及接口電路如圖2所示，其原理為：當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生改變時(shí)，會(huì)使得濕敏電容所在的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致濕敏電容中的電容數(shù)值發(fā)生變化，電容數(shù)值與濕度值成正比。

2.2.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選取DHT11型溫濕度傳感器獲取空氣溫濕度，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。硬件實(shí)物以及接口電路如圖3所示。

2.2.3 酸堿度傳感器

本系統(tǒng)選取DJS-1型酸堿度傳感器檢測(cè)pH數(shù)值[6]，該傳感器的工作電壓為（5±0.2）V（AC/DC），工作電流為5～10 mA，監(jiān)測(cè)pH值范圍為0～14，工作溫度為-10～50 ℃，輸出模擬電壓信號(hào)。硬件實(shí)物以及接口電路如圖4所示。

2.2.4 光敏電阻傳感器

本系統(tǒng)選取光敏傳感器[7]獲取光照強(qiáng)度，在特定頻率的光照下，電阻值會(huì)迅速減小，從而兩端電壓變?。欢渌闆r下，若具有較大的電阻值，則兩端電壓變大。硬件實(shí)物及接口電路如圖5所示。

2.3 無(wú)線通信模塊

本系統(tǒng)選取ESP8266作為通信模塊，硬件實(shí)物及接口電路如圖6所示。

2.4 OLED顯示模塊

本系統(tǒng)采用2.42寸OLED顯示屏作為顯示模塊，實(shí)物及模塊電路如圖7所示。

2.5 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用MaixII M2dock攝像頭，利用ANN算法[8]通過(guò)示例學(xué)習(xí)執(zhí)行任務(wù)，通常不用任何特定于任務(wù)的規(guī)則編程。ANN算法在系統(tǒng)中用于對(duì)番茄在不同時(shí)期的成熟情況進(jìn)行識(shí)別判斷，方便對(duì)植株進(jìn)行更加精細(xì)的培育。攝像頭模塊及接口電路如圖8所示。

2.6 水泵驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)的兩個(gè)水泵利用繼電器模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，原理如圖9所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要由ADC檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)上傳云端部分，數(shù)據(jù)判斷部分、調(diào)節(jié)和顯示部分組成。設(shè)定數(shù)據(jù)閾值，通過(guò)獲取數(shù)據(jù)值來(lái)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)操作需求。液晶顯示屏將對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)上傳至云端，小程序?qū)崟r(shí)更新顯示，同時(shí)還可接收小程序指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。軟件總體設(shè)計(jì)如圖10所示。

3.2 ADC通道數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)對(duì)光照、土壤濕度、pH濃度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)采用模擬ADC采集方式采集，具體軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：先對(duì)ADC模塊進(jìn)行初始化，對(duì)應(yīng)通道分時(shí)采樣傳感器數(shù)據(jù)，并完成電壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波后送到OLED實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)控農(nóng)業(yè)環(huán)境，最后將傳感器數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。流程如圖11所示。

3.3 I/O通道數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)的環(huán)境濕度數(shù)據(jù)采集選用的是DTH11傳感器，將該傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)I/O通道上傳，具體過(guò)程如下：將采集的數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼通過(guò)I/O口發(fā)送給STM32控制器，控制器接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，并與接收的校驗(yàn)碼進(jìn)行比對(duì)，如果校驗(yàn)正確，則轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)；否則返回錯(cuò)誤。流程如圖12所示。

3.4 串口DMA接收單元

MaixII M2dock 攝像頭模塊識(shí)別到植株生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)后，通過(guò)ANN算法進(jìn)行圖像處理，并判定識(shí)別結(jié)果；將判定后的結(jié)果通過(guò)串口DMA傳輸?shù)街骺刂破?，主控制器接收到識(shí)別結(jié)果數(shù)據(jù)后控制對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)亮。其中LED1、LED2點(diǎn)亮則判定番茄紅色；LED2、LED3點(diǎn)亮則判定番茄綠色；LED1、LED3點(diǎn)亮則判定番茄黃色。識(shí)別完畢后啟動(dòng)下一輪DMA傳輸。流程如圖13所示。

3.5 控制單元

控制單元軟件主要完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、智能調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)接收處理、聲光報(bào)警、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等任務(wù)，它將接收到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，進(jìn)而控制環(huán)境參數(shù)，為植株始終處于最適宜的生長(zhǎng)條件提供保障。流程如圖14所示。

3.6 WiFi傳輸模塊單元

本系統(tǒng)采用ESP8266模塊與OneNET平臺(tái)[9]進(jìn)行通信。ESP8266與STM32通過(guò)串口2進(jìn)行連接，STM32核心板將數(shù)據(jù)打包匯總后通過(guò)WiFi傳輸方式上傳到OneNET平臺(tái)，同時(shí)OneNET平臺(tái)將指令信息通過(guò)ESP8266下發(fā)給STM32核心板。ESP8266的工作模式設(shè)置為AP+Station，即作為熱點(diǎn)供上位機(jī)連接，且可發(fā)送信息也可接收信息。流程如圖15所示。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 pH傳感器測(cè)試

在液體pH值分別為4和6時(shí)進(jìn)行測(cè)試，pH傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)顯示如圖16所示。

4.2 二氧化碳傳感器測(cè)試

利用打火機(jī)對(duì)二氧化碳傳感器進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示如圖17所示。

4.3 光敏傳感器測(cè)試

對(duì)光敏電阻進(jìn)行不遮擋與遮擋測(cè)試，同時(shí)獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并決定是否開(kāi)啟右下角的補(bǔ)光燈，測(cè)試結(jié)果如圖18所示。

4.4 植物生長(zhǎng)狀態(tài)測(cè)試

利用攝像頭拍攝不同顏色的番茄，并通過(guò)LED顯示植物生長(zhǎng)狀態(tài)，如圖19所示。

4.5 土壤濕度傳感器測(cè)試

對(duì)濕紙巾遮擋與不遮擋土壤傳感器進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示情況如圖20所示。

4.6 溫濕度傳感器測(cè)試

同樣利用打火機(jī)對(duì)DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)試，如圖21所示。

4.7 小程序顯示

本系統(tǒng)可采用微信小程序[10]獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并控制光源。小程序顯示情況如圖22所示。

4.8 云平臺(tái)數(shù)據(jù)收集

系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi通信上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)顯示界面如圖23所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化，需要將物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)結(jié)合。本文所設(shè)計(jì)的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸、云平臺(tái)數(shù)據(jù)上傳、本地監(jiān)控及微信小程序的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；同時(shí)系統(tǒng)采用AI技術(shù)對(duì)植株的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為農(nóng)戶進(jìn)行精準(zhǔn)施肥灌溉、實(shí)時(shí)采摘等提供一定的參考，對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有一定的積極意義。

注：本文通訊作者為胡純?nèi)亍?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]張媛媛.基于物聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)莓生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

[2]劉持標(biāo)，李年攸，賴國(guó)良，等.基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備開(kāi)發(fā)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（1）：61-64.

[3]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]張淑清. 嵌入式單片機(jī)STM32設(shè)計(jì)及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2015.

[5]劉悅沆，熊瑞平，陳貴全，等.基于ZigBee 的智能滴灌控制系統(tǒng)

[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（5）：45-47.

[6]駱東松，姜浩.農(nóng)業(yè)水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2020，39（1）：164-168.

[7]李可晗.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江科技學(xué)院，2022.

[8]楊俊成，李淑霞，李亮.基于物聯(lián)網(wǎng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)控方案[J].控制工程，2020，27（9）：1649-1656.

[9]白玉立，劉建粉.基于云平臺(tái)的智能養(yǎng)花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（2）：76-77.

[10]黑馬程序員.微信小程序開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2019：1-46.