基于STM32的智能農場管理系統的設計

郭賽球 劉樂

摘 要 針對傳統農業受自然條件影響較大且難于管理與監控等缺點，設計一種基于STM32的智能農場管理系統。該系統利用光敏電阻檢測當前的光照強度，LED燈根據接收到的光照信息輸出不同強度的燈光進行調節;采用溫度傳感器和濕度傳感器檢測空氣溫度和土壤濕度;利用LCD顯示屏，顯示當前檢測的狀態信息以及系統工作信息;采用自帶FIFO的攝像頭，提高了顯示幀率;該系統能夠實現對農場的自動化管理與監控為農作物提供了一個良好的正常生長環境。

關鍵詞 STM32 智能農場 傳感器 遠程管理

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A

我國是一個農業大國，農業是社會發展的基礎產業。而傳統農業需要大量勞動力的投入，而且受氣候環境的影響較大。為提高我國農業生產效率，將當代物聯網技術與傳統農業相融合，用遠程管理代替農民勞作，用自動調節彌補自然環境的不足，利用低成本，高穩定性的傳感器對農作物進行實時監控，打造一個實用、簡單、高效的智能農場管理系統是解決我國傳統農業發展緩慢的最有效方案。

1總體設計方案

本設計采用STM32F103芯片作為主控芯片。總體框架由數據采集部分、調節部分、數據傳輸部分、狀態顯示部分、管理與操作部分組成，其中數據采集與調節部分由傳感器、繼電器等IO設備組成，負責檢測當前農場環境狀態并實時進行處理。主控芯片將傳感器采集到的數據通過LCD屏幕進行顯示，然后通過以太網將數據傳送到網頁，通過網頁操作和紅外遙控可以對系統的調節部分進行控制。

2硬件設計

2.1主控芯片相關說明

本設計采用的MCU是STM32F103ZET6，該芯片是具有高性能、低功耗、低成本的特點。芯片采用32位ARM CortexTM_M3內核，具有72M的工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz，具備512K內部Flash和高達64K的SAM。

2.2光照調節模塊

本設計采用的光敏傳感器即光敏二極管，它對光非常敏感。當受到光照時，PN結上形成空穴—電子對，隨著光照強度的增加，空穴—電子對也不斷增加，這時二極管電阻減小，電流增大。當光照強度變化時，光敏二極管兩端的電壓也會隨之變化，利STM32F103的ADC檢測二極管兩端的電壓，就能夠判斷外部光線的強弱。

使用定時器TIM3產生PWM輸出到LED。我們使用 TIM3的CH2輸出PWM的占空比來控制LED的亮度，PWM原理當 CNT 值小于CCRx的時候，IO輸出低電平，當CNT 值大于等于CCRx 的時候，IO輸出高電平。

2.3溫度調節模塊

DS18B20溫度傳感器采用單總線與主機通訊。它的測量溫度范圍為-55～+125℃，精度為？.5℃。工作電壓 3～5.5V。在使用時，主機先輸出一個低電平產生復位脈沖。然后再進入接收應答模式，接著在發送相關指令。DS18B20的單總線不僅可以讀還可以寫，首先要給它發送讀存儲器的指令，才能接收到溫度值。加熱裝置采用繼電器控制。

2.4土壤濕度調節模塊

土壤濕度傳感器兩個信號輸出端，DO和AO。DO輸出高低電平，AO輸出模擬信號，本設計采用的是AO端口。該傳感器的比較器采用 LM393芯片，工作穩定，工作電壓 3.3V-5V。

傳感器適用于土壤的濕度檢測，傳感器控制板有一個AO端，通過它與STM32F1的ADC相連，通過AD轉換，可以獲得土壤濕度精確的數值。澆水裝置利用繼電器控制電機實現。土壤濕度傳感器原理圖，

2.5攝像頭模塊

OV7725是OV（OmniVision）公司生產的圖像傳感器。夠和單片機完美兼容且具備影像設備的基本功能。OV7725攝像頭的像素時鐘（PCLK）較高，最高可達24Mhz，而我們的 STM32F103ZET6處理速度較低，如果IO口直接抓取，是非常困難的，也十分耗費CPU。OV7725相機，不自己抓取來自OV7725的圖像，而是通過FIFO讀取。該OV7725攝像頭模塊自帶了一個FIFO芯片（AL422B），可以暫存圖像數據，攝像頭捕獲畫面后，就會將畫面存入FIFO中，我們再從FIFO中讀取畫面，讀完之后再允許FIFO的寫入。

TFLCD顯示模塊的接口為16位的并口，16位并口傳輸的速度較快，遠勝于8位的傳輸方式，該顯示屏要傳輸彩色數據，其數據量是非常大的。本設計中我們使用STM32F1的FSMC接口來驅動TFTLCD顯示屏。

2.6紅外遙控模塊

紅外線遙控通過紅外線傳輸信號，而紅外延直線傳播，不能避過障礙物，所以一般不會出現干擾現象。紅外遙控價格低廉，功耗低，而且對環境沒有影響，目前在家用領域已經非常普及。本設計中我們利用 STM32F1的輸入捕獲，將捕獲的電平對照協議進行解碼，并將解碼后的鍵值 對應一個系統功能，實現遙控操作的目的。

2.7以太網模塊

DM9000是本設計網絡模塊的以太網芯片，它具有性價比高、低功耗、引腳少、集成度高等特點。

DM9000是通16位數據總線，掛在STM32的FSMC上面，DM9000的片選由FSMC_NE2 控制，CMD則由FSMC_A7控制。這個連接方法，類似于TFTLCD顯示，總共用到了22個IO口。

3軟件設計

3.1主程序流程及相關說明

系統上電后首先進行各個模塊的初始化配置，包括GPIO口的初始化配置和相關寄存器的初始化配置。在主循環中通過傳感器檢測的不斷獲得各項數據，刷新LCD顯示屏顯示數據。如果收到來自紅外遙控或網頁發來的指令，則執行響應指令。如果系統處于手動模式，則無操作，進入循環，重新檢測數據。如果系統處于自動模式，則根據當前環境值調節LED、加熱及灌溉裝置，使光照、溫度、土壤濕度始終處于穩定中，進入循環，重新檢測數據。

3.2光照自動調節模塊

Lsens_Init函數用于初始化光敏傳感器，設置PF8為模擬輸入，然后通過Adc3_Init函數初始化ADC3_CH6。Lsens_Get_Val函數用于獲取當前光照強度，該函數通過Get_Adc3得到ADC3_CH5轉換的電壓值，每次獲取光照強度的時候，為使數值準確可靠，每次獲取10次電壓值，并求出平均值，STM32的ADC為12位，ADC3->DR寄存器所返回的值最大為65535，經過簡單量化后，處理成0～100的光照值。0對應最暗，100對應最亮。

3.3溫度自動調節模塊

在初始化DS18B20時，先初始化GPIO口，隨即使用DS18B20_Rst函數復位一次。在需要獲取溫度時，使用DS18B20_Get_Temp函數進行采集。首先通過單總線發送指令，開始溫度轉換;然后為避免錯誤，進行復位;然后等待DS18B20的回應;檢測到DS18B20的存在，即收到回應后;再向DS18B20發送讀取溫度的指令，此時DS18B20就會通過單總線發送出具體溫度值。

3.4濕度自動調節模塊

本模塊通過STM32F1的ADC11檢測土壤濕度傳感器的電壓值，從而獲取濕度值。首先進行ADC初始化，然后進行ADC轉化，得到濕度值。

3.5攝像頭模塊

OV7725_Init函數先初始化OV7725相關的IO口，包括ov7725_init_reg_tbl函數完成OV772的寄存器序列初始化。

攝像頭捕獲畫面后產生幀中斷，幀中斷到來后，判斷ov_sta是否為0，如果是0，說明可以往FIFO里面寫入數據，執行復位FIFO寫指針，并允許FIFO寫入，此時，AL422B 將從地址0開始，存儲新一幀的圖像數據。然后ov_sta++，標記新的一幀數據正在存儲中。如果ov_sta不為0，說明之前存儲在FIFO里面的一幀數據還未被讀取過，直接禁止FIFO寫入，STM32 只需要判斷ov_sta是否大于0，來讀取FIFO里面的數據，讀完一幀后，設置 ov_sta為0，以免重復讀取，同時還可以使能FIFO新幀的寫入。

3.6顯示模塊

開機后通過LCD_Init函數對TFTLCD進行初始化，初始化的第一步是將LCD所連接的GPIO口進行初始化，然后再配置STM32知道的FSMC，因為我們是通過FSMC向TFTLCD寫入數據，然后進行顯示。配置好PSMC后再進行TFTLCD模塊的配置。通過向LCD的控制器寫入由廠家提供的初始化序列，即可初始化成功。

3.7紅外遙控模塊

首先用Remote_Init函數初始化 IO 口，并配置TIM4_CH4為輸入捕獲，當紅外接收頭接收到信號后，就會觸發定時器4產生中斷。在中斷函數中捕獲到信號后，將其解析后將值傳給RmtRec。

3.8 web server模塊

在移植好LWIP后，使用lwip_comm_init函數進行初始化，包括LWIP和DM9000以太網模塊的初始化，使用httpd_init開啟web server模式。在主循環中用lwip_periodic_handle和lwip_pkt_handle這兩個函數輪詢任務和接收數據。

采用CGI技術和SSI技術進行網頁控制。使用CGI，首先要定義ppcURLs數組，該數組定義了我們在html插入的標簽。編寫CGI_Handler處理函數，接收到數據后進行相應的處理。使用SSI，也要定義SSI的Tag數組，該數組定義了我們在html插入的標簽。編寫SSIHandler處理函數，在函數中處理準備加到html中的數據。最后在使用時我們需要調用httpd_cgi_init函數和httpd_ssi_init函數進行CGI句柄初始化和SSI句柄初始化。

4測試結果與分析

基于STM32的智能農場管理系統的實驗樣機用戶可通過網頁端以及紅外遙控進行操控。在實驗過程中通過模擬農場自然環境對系統的功能及性能進行測試，測試結果如下：

（1）自動模式下，功能測試時系統反應靈敏，系統可根據設定值與自然環境變化進行自動調節;

（2）通過瀏覽器登錄網頁系統可看到各傳感器檢測的數值，數據刷新率為3s刷新一次，可同時多用戶訪問web服務器，網頁控制正常;

（3）紅外遙控控制有效距離為5m，系統接收數據后蜂鳴器發出響聲作為回應;

（4）攝像頭畫面刷新率為15幀左右，幀率稍慢，可通過調整分辨率以及提高硬件性能進行優化。

經過以上測試及分析得出，該系統各功能模塊運行正常，傳感器數據較準確，系統反應靈敏，控制無誤，基本符合系統設計需求。

5結束語

本次設計的智能農場系統考慮到實際應用的基本條件和環境，因此具有很強的使用新以及很高的應用價值。本設計采用的STM32芯片應用場景廣泛，具有高效低耗的特點，在實際應用中表現出色。本系統不僅擁有自動模式，能夠實現空氣溫度自動調節、土壤濕度自動調節、光照強度自動調節;而且還有手動模式，能夠在特殊條件下進行手動控制;而且還可以遠程管與控制。

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