基于STM32的多功能農(nóng)業(yè)補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：僅靠自然光難以滿足農(nóng)作物茁壯成長(zhǎng)需求，為解決這一難題，該文提出一種基于無線信號(hào)傳輸?shù)亩喙δ苻r(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈，可適用于不同農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下。補(bǔ)光燈以STM32F103RCT6作為主控芯片，加入溫度、濕度、光照強(qiáng)度傳感器等，以獲取環(huán)境和裝置本身的數(shù)據(jù)信息，還可以通過Wi-Fi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過調(diào)試，裝置可以實(shí)現(xiàn)獲取環(huán)境多項(xiàng)數(shù)據(jù)并與手機(jī)APP通信的功能，加入語言識(shí)別模塊，可遠(yuǎn)程控制裝置開關(guān)并按需調(diào)整光照強(qiáng)度。綜上，該裝置可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息并按需進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)光等功能。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);STM32單片機(jī);環(huán)境監(jiān)測(cè);農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈;Wi-Fi通信

中圖分類號(hào)：TP368" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2024）13-0011-04

Abstract： It is difficult to meet the needs of crop growth by natural light alone. In order to solve this problem， a multi-functional agricultural supplementary light based on wireless signal transmission is proposed in this paper， which can be applied to different agricultural scenes. The supplementary light lamp uses STM32F103RCT6 as the main control chip， adding temperature， humidity and light intensity sensors to obtain the data information of the environment and the device itself， and can also transmit data through the Wi-Fi module. After debugging， the device can obtain multiple data of the environment and communicate with the mobile phone APP， add the language recognition module， and remotely control the device switch and adjust the light intensity as needed. In summary， the device can realize the functions of monitoring crop growth environment information and adjusting supplementary light as needed.

Keywords： smart agriculture; STM32 single chip microcomputer; environmental monitoring; agricultural supplementary light; Wi-Fi communication

隨著新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村加速滲透融合，持續(xù)推進(jìn)我國(guó)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)邁入智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代。智慧農(nóng)業(yè)是利用這些先進(jìn)的技術(shù)和裝備實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能感知和智慧管理，從而提高農(nóng)業(yè)的資源利用率和生產(chǎn)效率。智慧農(nóng)業(yè)是大勢(shì)所趨，而智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力，它們的廣泛應(yīng)用能有力推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程?；谶@些目標(biāo)，設(shè)計(jì)一款基于STM32的多功能農(nóng)業(yè)補(bǔ)光系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，按其需要為其調(diào)整補(bǔ)光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物茁壯成長(zhǎng)。

1" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，主控制器的選型非常重要，它直接影響整個(gè)設(shè)計(jì)的完成情況。溫度、濕度、光照強(qiáng)度傳感器在采集到環(huán)境數(shù)據(jù)信息后，會(huì)將信息傳輸給主控制器，主控制器會(huì)根據(jù)原先設(shè)定好的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機(jī)APP上，用戶可以根據(jù)手機(jī)上的數(shù)據(jù)信息，提出改進(jìn)要求，由語言模塊傳遞發(fā)送指令給主控制器，控制補(bǔ)光燈調(diào)整光照強(qiáng)度。

具體系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1" 芯片選型

經(jīng)過考慮，本系統(tǒng)選用STM32系列單片機(jī)作為控制器，它是基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32微處理器，具有高性能、低成本、低功耗等特點(diǎn)，除此之外，相比較同類型的產(chǎn)品，它還擁有豐富的外設(shè)和簡(jiǎn)單易用的開發(fā)軟件。最終選用STM32F103RCT6芯片作為整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)的核心處理器，其具有5個(gè)USART串口和2個(gè)I2C接口，完全滿足開發(fā)該補(bǔ)光系統(tǒng)的需求。

1.2" 光檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

選用BH1750光強(qiáng)傳感器模塊用于檢測(cè)光照強(qiáng)度，它是基于BH1750芯片，加上外圍電路組成。BH1750內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC采集和晶振等組成。模塊有5個(gè)引腳口，分別對(duì)應(yīng)供電電壓正極、負(fù)極、IIC時(shí)鐘線、IIC數(shù)據(jù)線和IIC地址線。通過IIC總線，模塊可以和單片機(jī)完成通信，將測(cè)量的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號(hào)輸出。

1.3" 溫度預(yù)警模塊設(shè)計(jì)

選用DS18B20溫度傳感器模塊檢測(cè)補(bǔ)光燈工作溫度，其測(cè)量范圍是-55 ℃到125 ℃，可以完全滿足補(bǔ)光系統(tǒng)所需要求。一共有3個(gè)引腳，分別是電源線、地線、單總線通信接口，接受和發(fā)送都是通過該引腳。其接收數(shù)據(jù)時(shí)為高電阻輸入，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為開漏輸出，輸出1時(shí)為高電平，輸出0時(shí)為低電平。設(shè)置一個(gè)溫度，當(dāng)補(bǔ)光燈在工作時(shí)超過此溫度，將打開風(fēng)扇進(jìn)行散熱降溫。設(shè)置一個(gè)更高溫度，當(dāng)溫度超過此溫度時(shí)，警報(bào)聲響，并進(jìn)行降檔，當(dāng)溫度超過極限值時(shí)，補(bǔ)光燈自動(dòng)關(guān)閉。具體溫度模塊電路原理圖如圖2所示。

1.4" 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

選用B-HT-RS30溫濕度傳感器，其可測(cè)量溫度范圍為-40～+80 ℃，濕度范圍為0%～100%（RH），完全滿足檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的需求。該模塊可以5 V輸入，有4線接口，分別是2條電源線和2條通信線，分別與電源線路和通信線路接通即可配置。該傳感器針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境做過防潮處理，可直接插入土壤檢測(cè)農(nóng)作物表面的溫度與濕度情況，并把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。

1.5" 補(bǔ)光燈板設(shè)計(jì)

農(nóng)作物所需光照波段為400～460 nm藍(lán)紫區(qū)和600～700 nm紅橙區(qū)，為滿足農(nóng)業(yè)補(bǔ)光需求，選用紅藍(lán)兩色燈珠，以此滿足不同農(nóng)作物所需不同光照條件。并將紅色LED與藍(lán)色LED燈珠分別組合成為2個(gè)燈組，能夠通過PWM進(jìn)行分別調(diào)控，用以組合出不同光源，使得補(bǔ)光系統(tǒng)能夠滿足各類農(nóng)作物所需光色。此外為了使得效果和功耗達(dá)成平衡效果，同時(shí)滿足散熱需求，選用24 V燈珠，并將燈板大小控制在30 cm×40 cm內(nèi)，實(shí)現(xiàn)所需效果。

1.6" 語音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

選用LU-ASR01語音模塊來實(shí)現(xiàn)語音控制功能，該模塊支持麥克風(fēng)、音頻輸入，并且提供串行接口和USB接口，便于和其他設(shè)備進(jìn)行連接通信。本系統(tǒng)采用串口通信的方式， 使用者可以向語音模塊的麥克風(fēng)處發(fā)出指令，語音模塊向單片機(jī)發(fā)送指令，單片機(jī)控制補(bǔ)光燈開啟關(guān)閉狀態(tài)或調(diào)整光照強(qiáng)度。同時(shí)該模塊有DHT接口，與上述DS18B20溫度傳感器模塊連接，即可進(jìn)行溫度播報(bào)。

1.7" Wi-Fi通信模塊設(shè)計(jì)

選用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊同時(shí)與單片機(jī)和手機(jī)APP進(jìn)行通信。核心處理器ESP8266集成了32位MCU，主頻支持80、160 MHz。本系統(tǒng)采用串口的方式使模塊與單片機(jī)通信，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，能夠輕松實(shí)現(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉(zhuǎn)換。模塊有6個(gè)管腳，分別是電源、電源地、串口接收腳RXD（與單片機(jī)發(fā)送腳相連）、串口發(fā)送腳TXD（與單片機(jī)接受腳相連）、復(fù)位鍵和固件燒寫。運(yùn)用串口無線STA模式，模塊作為無線Wi-Fi STA連接到手機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)、單片機(jī)和模塊之間的數(shù)據(jù)互傳即可實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP上顯示環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

2" 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)程序流程圖

為滿足補(bǔ)光燈實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的需求，需要基于程序邏輯進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，當(dāng)接收到開始補(bǔ)光的信號(hào)，補(bǔ)光系統(tǒng)程序開始運(yùn)行，接受光強(qiáng)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)光強(qiáng)與實(shí)際光強(qiáng)的差值，使用PID算法構(gòu)建光強(qiáng)控制環(huán)，給定比例、積分和微分參數(shù)，使得光照強(qiáng)度能夠較快響應(yīng)并調(diào)整到所需目標(biāo)光強(qiáng)，并不會(huì)超調(diào)，隨著光強(qiáng)輸出的提高，系統(tǒng)發(fā)出的熱量會(huì)越來越大，為保證補(bǔ)光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，在進(jìn)行參數(shù)增量調(diào)整之后需要對(duì)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制，當(dāng)系統(tǒng)溫度過高時(shí)會(huì)開啟散溫模塊，通過金屬導(dǎo)熱板將溫度集中，開啟大功率風(fēng)扇，集中散熱。若溫度持續(xù)升高，到達(dá)耐受值上限，系統(tǒng)將自動(dòng)降檔，降低補(bǔ)光強(qiáng)度，并在手機(jī)APP上進(jìn)行提醒，若溫度超出耐受值上限，系統(tǒng)將停止運(yùn)行，直到溫度冷卻，再進(jìn)行補(bǔ)光，整體結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。而其他農(nóng)業(yè)相關(guān)參數(shù)都將實(shí)時(shí)記錄，并通過Wi-Fi模塊傳輸至手機(jī)APP顯示，同時(shí)也能通過硬件顯示屏觀看實(shí)時(shí)參數(shù)，方便人員進(jìn)行檢查、調(diào)整、交互。

2.2" APP程序設(shè)計(jì)

手機(jī)和補(bǔ)光系統(tǒng)連上同一個(gè)Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制，在手機(jī)APP上顯示當(dāng)前補(bǔ)光燈的目標(biāo)光強(qiáng)、農(nóng)作物實(shí)時(shí)接收光強(qiáng)、農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境濕度與溫度及土壤濕度等信息，同時(shí)提供控制平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)操控農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈的開關(guān)、色溫、目標(biāo)光強(qiáng)等參數(shù)。

3" 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1" 外殼設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈功率高，在系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，并且考慮到使用環(huán)境需要的便于懸掛的特性，本系統(tǒng)選用鋁制燈板并加裝鋁制散熱片，通過增加與空氣的接觸面積提高對(duì)流散熱效果，同時(shí)將熱量聚集，加裝風(fēng)扇以提高散熱能力。

3.2" 傳感器設(shè)計(jì)

為適應(yīng)農(nóng)業(yè)高濕度、高溫度的使用環(huán)境，在傳感器周圍加裝防水層，降低濕度對(duì)于電子設(shè)備的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性，同時(shí)為保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，線材也加裝了防水層，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確。

4" 多功能補(bǔ)光系統(tǒng)的調(diào)試與結(jié)果分析

從預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能方面，有滿足農(nóng)業(yè)需求的補(bǔ)光參數(shù)設(shè)計(jì)、手機(jī)APP上顯示數(shù)據(jù)、語音控制補(bǔ)光燈調(diào)整光強(qiáng)和溫度預(yù)警降溫4個(gè)方面。本文將逐一驗(yàn)證各個(gè)功能模塊，完成后進(jìn)行整體功能驗(yàn)證。

4.1" 多功能補(bǔ)光系統(tǒng)調(diào)試

為檢驗(yàn)農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈補(bǔ)光效果的好壞，需要選取一個(gè)合適的光色范圍和光照強(qiáng)度，根據(jù)黃松等的研究，可以得知在人工光栽培環(huán)境下，光照強(qiáng)度為300 μmol/（m2·s）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)番茄最好的補(bǔ)光效果，而黃瓜一般要達(dá)到400 μmol/（m2·s）光照強(qiáng)度才能正常生長(zhǎng)發(fā)育，本系統(tǒng)需要將農(nóng)作物所受光強(qiáng)維持在所需光照強(qiáng)度之上，并且實(shí)現(xiàn)無須人工調(diào)節(jié)的自動(dòng)補(bǔ)光。為檢測(cè)補(bǔ)光燈更具環(huán)境的自適應(yīng)性，分別在遮光環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境對(duì)2種農(nóng)作物所需光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，在系統(tǒng)中給定目標(biāo)光強(qiáng)數(shù)值，并使用光照傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度，結(jié)果均能達(dá)到目標(biāo)光照強(qiáng)度，并且響應(yīng)時(shí)間較為合理。

4.2" 語音識(shí)別模塊調(diào)試

在模塊的工具軟件上，進(jìn)行初始化設(shè)置，先選擇波特率和傳感器，后進(jìn)行I/O口和高低電平設(shè)置，最后添加識(shí)別詞，完成軟件配置。為檢測(cè)語音識(shí)別的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在檢測(cè)補(bǔ)光燈語音控制系統(tǒng)時(shí)，播放一定環(huán)境噪音，用來模擬農(nóng)業(yè)大棚等生產(chǎn)環(huán)境，以檢測(cè)補(bǔ)光系統(tǒng)在嘈雜環(huán)境下的語音控制能力。經(jīng)過檢測(cè)，在環(huán)境音不超過60 dB時(shí)能夠穩(wěn)定識(shí)別和檢測(cè)。同時(shí)為滿足較遠(yuǎn)距離的語音控制，經(jīng)檢測(cè)在較安靜環(huán)境中檢測(cè)距離能達(dá)到10 m，滿足一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和需求。

4.3" Wi-Fi通信模塊調(diào)試

為檢測(cè)APP與補(bǔ)光系統(tǒng)的及時(shí)互聯(lián)性，分別在補(bǔ)光系統(tǒng)控制平臺(tái)和手機(jī)APP上操作改變補(bǔ)光燈的實(shí)時(shí)參數(shù)，檢測(cè)是否準(zhǔn)確和及時(shí)，并檢測(cè)在同一網(wǎng)絡(luò)下操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)傳輸效果受限于Wi-Fi信號(hào)，在信號(hào)良好條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，參數(shù)更新也較為及時(shí)，滿足農(nóng)業(yè)補(bǔ)光燈使用場(chǎng)景。

4.4" 溫度預(yù)警模塊調(diào)試

單片機(jī)上電工作后，補(bǔ)光系統(tǒng)燈光打開，隨著工作時(shí)長(zhǎng)的增加，整個(gè)補(bǔ)光系統(tǒng)溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度50 ℃時(shí)，風(fēng)扇打開，開啟降溫模式;當(dāng)溫度持續(xù)升高，溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，補(bǔ)光系統(tǒng)需要降檔;若降溫效果不佳，溫度上升到75 ℃時(shí)，蜂鳴器響起，發(fā)出警報(bào)，提醒使用者注意使用情況;當(dāng)補(bǔ)光系統(tǒng)溫度超過80 ℃時(shí)，系統(tǒng)停止補(bǔ)光。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的開啟和檢測(cè)，本系統(tǒng)能較好地完成溫度控制。

4.5" 調(diào)試結(jié)果整體分析

整個(gè)系統(tǒng)安裝完成后，分別將各個(gè)模塊的程序錄入，進(jìn)行最終整體調(diào)試。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)，溫濕度傳感器檢測(cè)正常，成功將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP上。后進(jìn)行室外環(huán)境測(cè)試，陰天情況下，將溫濕度傳感器放置在農(nóng)作物生長(zhǎng)土壤表面，光照強(qiáng)度值顯示在手機(jī)APP上，使用者對(duì)語音模塊的麥克風(fēng)口發(fā)出補(bǔ)光指令，補(bǔ)光系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光，間隔幾分鐘后，手機(jī)APP中顯示光照強(qiáng)度明顯增加。試驗(yàn)表明，多功能農(nóng)業(yè)補(bǔ)光系統(tǒng)的各個(gè)模塊均運(yùn)行正?？梢詫?shí)現(xiàn)預(yù)期。

5" 結(jié)束語

基于上述內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32芯片的多功能農(nóng)業(yè)補(bǔ)光系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，能夠安裝在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，檢測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的溫濕度和光照強(qiáng)度情況，通過軟件算法自動(dòng)控制植物光照環(huán)境，利于植物生長(zhǎng)，同時(shí)在手機(jī)APP中顯示，并提供操控窗口，讓工作人員可以根據(jù)直觀的數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)作物光照環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、無線傳輸數(shù)據(jù)、檢測(cè)環(huán)境等功能，在市場(chǎng)中具備廣泛的應(yīng)用前景。

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*通信作者：奚崢皓（1980-），男，博士，副教授。研究方向?yàn)橹悄芸刂葡到y(tǒng)和裝置設(shè)計(jì)。