基于stm32的設施農業環境監測系統的構建

熊 剛， 胡啟迪， 薛海斌， 劉元剛

(楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100)

隨著經濟的快速發展和科技的不斷進步，對設施農業也提出了越來越高的要求，人們希望通過智能化裝置對設施農業進行監測和控制，提高農作物的產量和質量，從而提高經濟效益[1-2]。北京農業大學采用分布式控制系統成功研制WJG-1型實驗溫室環境監控計算機管理系統，中國農業大學設計研制的“山東省濟寧大型育苗溫室計算機分布式控制系統”實現了計算機分布式控制[3]。王海清等[4]研究的基于云平臺的溫室大棚監控系統，數據上傳至云服務器上，主要解決溫室栽培中環境變量不易控制的問題。馬福東等[5]基于PC端研究的模塊化智能溫室系統為實現大棚結構的模塊化設計、組裝等提供了技術參考。在楊凌地區調研發現，中小型企業、普通農戶的設施農業大棚環境監測多數采用簡易溫濕度計和電子溫濕度計，少量使用自動控制系統，智能溫室監控系統使用很少；而溫濕度計的功能較單一，自動控制系統、智能溫室監控系統存在布線復雜、響應不及時、價格昂貴等問題。為此，引入無線通信技術，以單片機stm32為控制核心，設計集溫濕度檢測、設備自動控制及手機APP智能控制等功能于一體的智能設施農業環境監測系統，旨在提高設施農業環境監測的有效性，為設施農業的持續健康發展提供技術支撐。

1系統的總體結構與運行機制

整個系統包括智能手機、無線路由器、主控端、各數據采集端(節點)和受控單元等(圖1)，其中，主控端與各節點之間使用CC2530通過Zigbee協議進行無線連接，以滿足組網的快速、便捷、靈活及穩定等要求。節點上的CC2530負責采集傳感器數據并控制各類執行機構；主控端上的CC2530則為協調器，負責維護網絡，收集各節點采集的信息以及向節點直接發送或者轉發由手機APP發出的控制指令。主控端通過WIFI模塊與無線路由器建立連接。一方面路由器可以與手機連接進行網內信息交互，另一方面路由器也可以接入外網的云服務器與手機進行信息交互，從而實現遠距離的監控。專用的APP可以使手機通過無線路由器連接到云服務器，其中無線路由的優先級較高，允許通過設置強制采用某種方式。當手機與主控端同屬一個無線路由器下時，采用網內通信方式，以保證實時性；其他情況下則通過云服務器進行通信，以實現遠程監控。

2硬件結構

2.1主控端硬件

主控端硬件電路包括單片機模塊、按鍵模塊、液晶顯示屏模塊、聲光報警模塊、無線通信模塊及WiFi模塊等(圖2)。STM32F407ZGT6是以ARM Cortex-M4為內核的32位微控制器，擁有210DMIPS，高達1 MB FlashROM，192 kB SRAM，4 kB備用RAM，17個TIM(定時器)，3個12位ADC，2個12位DAC，以及15個通信接口(3個I2C，4個USART/UART，3個SPI，2個I2S，2個CAN及1個SDIO)，多達140個具有中斷功能的I/O端口，完全可以滿足系統要求[6-9]。

Fig.2 Main control end structure of facility agricultural environment monitoring system

2.2數據采集端硬件

數據采集端負責傳感器數據采集，不涉及復雜的運算，需要一定的可移動性，對功耗的要求較高，數據采集端主要選擇CC2530F253芯片作為數據采集端的處理核心，包括煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊及光照傳感器模塊等(圖3)。CC2530F253芯片內部集成8051內核，可以對FLASH進行編程，其豐富的外圍設備，較大地簡化了硬件設備的設計過程，該芯片的發射功率為4.5 dB，具有功耗低、精度高等優點，可以提高系統的控制效率[10-12]。

Fig.3 Data acquisition terminal hardware structure of facility agricultural environment monitoring system

3軟件程序設計與實現

3.1主控端程序

主控端作用非常關鍵，是數據采集端和智能手機端連接的紐帶。在沒有連接上位機的情況下，可通過觸控液晶屏實現各個終端的檢測和控制等功能。從圖4看出，主控端程序流程包括主程序和中斷服務程序。主流程負責完成系統初始化，按鍵及觸摸控制事件處理，協調器信息收集等任務；中斷服務程序負責完成檢測并讀取機械按鍵及觸屏操作，將機械按鍵及觸屏操作對應的事件壓入事件隊列，更新屏幕顯示等任務。結合主控芯片性能，用戶體驗等因素，中斷通過定時器產生，周期設定為20 ms。經測試，該系統屏幕更新為區域更新，每次更新事件控制在5 ms以內。

3.2主控端與智能手機端通信程序

從圖5看出主控端與智能手機端之間的通信流程。由主控端通過WIFI完成與智能手機端之間的通信，主控端收集各個節點的環境監測數據后將其上傳至智能手機端保存和分析。通信之前，主控端檢測上位機是否正在發送通信形式變更信息，如有，則根據該信息對WIFI模塊進行配置，同時通知智能手機端中止發送。主控端在發送完本次通信周期的數據后，向智能手機端發送中止通信消息，關閉WIFI通信，進入節點管理流程。

Fig.5 Smart phone communication program flow for facility agricultural environment monitoring system

3.3節點入網程序

主控端每隔一定時間就會檢測是否有節點加入，檢測的間隔時間由管理的節點總數以及與上位機通信時長共同決定。因此，請求入網的節點必須在主控端檢測到其請求信息前不間斷地發送請求消息。為方便實現管理過程的有序性，采用主動詢問的方式與各節點進行通信，即通過切換地址，逐個地向各個節點收集信息；在程序開始時，節點首先進行初始化，然后發送入網申請信息；收到回復后確認消息，完成入網配置；最后切換工作模式，完成節點入網(圖6)。

Fig.6 Node access program flow of facility agricultural environment monitoring system

4系統測試

設施農業環境監測系統各個模塊調試完成后裝配的樣機包括主控端、數據采集端和智能手機端等部分，監測的環境參數主要是溫濕度等，應用樣機進行精度和誤報率等性能測試，以保證系統的性能可滿足用戶的需求。測量精度主要是測試系統的測量準確性，系統誤報率指的是系統預警錯誤次數占總次數的比例。從表1可知，該設施農業環境監測系統測量數據和現有裝置測試的數據存在一定誤差，溫度的誤差為31%～60%，濕度的誤差為9%～18%；在環境參數正常條件下系統工作時，數據顯示正常、控制信號輸出正常、手機APP界面顯示正常；在環境參數超限時，系統發出報警信息。該設計系統的誤報率最小為5.0%，平均為12.4%；而現有裝置誤報率最小為31.0%，平均為46.8%，則設計系統誤報率平均較現有系統降低34.4%。

表1 設施農業環境監測系統的測試結果

注：誤差表示采集端平均值與現有裝置測量值的誤差。

Note:Error means the error between average value of acquisition terminal and measured value of existing device.

5結語

針對現有設施農業環境監測工具存在功能單一、布線復雜、精度不高、實時監測能力較弱及誤報率高等缺點，結合現有傳感器技術、自動控制技術、WIFI無線通信技術等研發出基于stm32的設施農業環境監測系統。該系統在設施農業環境監測中可實現數據實時顯示、超限報警、遠程智能控制等功能。樣機測試結果表明，該設施農業環境監測裝置測量結果準確、精度高、誤報率低，能夠滿足設施農業環境監測工作，具有一定的應用價值。