基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

沈筱予 黃葆華 徐超 常文嘯 葉勝有

摘? 要：基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的實時遠程監(jiān)測與控制，將檢測到的溫度、濕度、光照、土壤濕度、CO2等數(shù)據(jù)，通過L610無線通信模組傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，以對大棚的環(huán)境進行調(diào)控。并且該系統(tǒng)有火焰報警和人體紅外入侵報警，用戶可以通過網(wǎng)頁端實時查看大棚環(huán)境，并遠程控制農(nóng)業(yè)大棚的灌溉設(shè)備、通風(fēng)、照明等設(shè)備。同時該系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)自動啟動相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能化處理，以滿足農(nóng)作物的生長需求。

關(guān)鍵詞：STM32;傳感器;物聯(lián)網(wǎng);云平臺;農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0171-05

Abstract： The purpose of the agricultural environment monitoring system based on STM32 and the Internet of Things cloud platform is to realize the real-time remote monitoring and control of the agricultural greenhouse environment. The detected data such as temperature， humidity， light， soil humidity and CO2 are transmitted to the Internet of Things cloud platform through L610 wireless communication module to regulate the greenhouse environment. And the system has flame alarm and human infrared intrusion alarm. Users can view the greenhouse environment in real time through the Web terminal， and remotely control the irrigation equipment， ventilation， lighting and other equipment of agricultural greenhouse. At the same time， the system can automatically start relevant equipment according to the monitored data to realize the intelligent processing of agricultural environment， so as to meet the growth needs of crops.

Keywords： STM32; sensor; Internet of Things; cloud platform; agricultural environment monitoring

0? 引? 言

目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)完全可以覆蓋涉及到當(dāng)今人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，而現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。然而農(nóng)業(yè)作為中國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，務(wù)農(nóng)人數(shù)越來越少。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動化技術(shù)來提高農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)量和效率是必要的[1]。本項目利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚的智能化管理，提高農(nóng)作物生產(chǎn)質(zhì)量和效益。

1? 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)設(shè)計需求

基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的需求目標(biāo)是對大棚環(huán)境內(nèi)的溫濕度、光強、土壤濕度和CO2濃度進行有效監(jiān)控及管理。溫濕度、光強、土壤濕度及CO2濃度對農(nóng)作物的生長有較大影響。當(dāng)溫度較高時，容易引起害蟲滋生和農(nóng)產(chǎn)品病變;溫度相對較低時，又會影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量。而土壤濕度較高時，同樣的也可能會直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量;土壤濕度較低時，農(nóng)作物不易吸水，會直接嚴(yán)重影響農(nóng)作物的正常壽命生長與發(fā)育及其結(jié)果。而自然光照強度和CO2濃度會影響農(nóng)作物的光合作用。因此本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的實際情況得到以下需求：

（1）需要實時監(jiān)測得到大棚環(huán)境的溫度、濕度、光強和CO2濃度。

（2）在每個數(shù)據(jù)的采集完成后，需要設(shè)計主控制系統(tǒng)，對環(huán)境參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的閾值，其閾值設(shè)定根據(jù)適宜農(nóng)作物生長的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）可以在上位機客戶端實時查看環(huán)境參數(shù)，并設(shè)計灌溉、通風(fēng)、照明控制裝置，可在參數(shù)超過設(shè)定閾值時采取相應(yīng)的措施。

1.2? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為三個層次：感知層、傳輸層、應(yīng)用層。具體框架如圖1所示。

1.2.1? 感知層

包括數(shù)據(jù)采集層及設(shè)備控制端。數(shù)據(jù)采集層由溫度、濕度、CO2濃度、光強、土壤濕度、火焰和紅外傳感器構(gòu)成，設(shè)備控制端由灌溉設(shè)備、照明設(shè)備、風(fēng)扇和報警裝置組成。

1.2.2? 傳輸層

傳輸層的作用是上報數(shù)據(jù)及接收云平臺指令。

1.2.3? 應(yīng)用層

以物聯(lián)網(wǎng)云平臺為基礎(chǔ)，分析處理感知層所采集的數(shù)據(jù)，向控制設(shè)備下發(fā)出控制指令。用戶可以通過網(wǎng)頁端了解到大棚環(huán)境信息，可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境對風(fēng)扇、水泵、照明燈等遠程設(shè)備進行控制，同時系統(tǒng)也可根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值自動調(diào)節(jié)當(dāng)前環(huán)境。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 主控芯片

在本系統(tǒng)中，我們對多種傳感器進行數(shù)據(jù)收集與處理，并且需要控制調(diào)節(jié)裝置，因此對穩(wěn)定性有很大的要求，選用STM32zet6作為主控芯片。該芯片最高72 MHz的工作頻率，多達八個定時器，并內(nèi)嵌8 MHz的RC振蕩器，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.2? 傳感器選型

2.2.1? 溫濕度、光照傳感器

本系統(tǒng)中運用DHT11作為溫濕度傳感器。其具有體積小、響應(yīng)快、抗干擾能力強、低功耗、穩(wěn)定性高、可靠性強的優(yōu)點[2]，被廣泛應(yīng)用于例如環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。光照傳感器模塊選用bh1750，傳感器內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換，內(nèi)置十六個字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，省略標(biāo)定FVI[2]。因體積小，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)光照檢測、溫室大棚。

2.2.2? 二氧化碳、土壤濕度傳感器

二氧化碳傳感器選擇MG811，其體積小、靈敏度高、有很強的防濕能力。其測量范圍0-100 00 ppm，對二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。土壤濕度傳感器選用YL-69土壤濕度傳感器。用于檢測土壤的含水率，其探頭為u型，檢測精準(zhǔn)，響應(yīng)靈敏[3]。表面鍍鎳，增加了感應(yīng)面積。AO輸出模擬量，與AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度準(zhǔn)確的數(shù)值[4]。

2.2.3? 紅外、火焰?zhèn)鞲衅?/p>

紅外傳感器用于檢測有無人走過。當(dāng)有人進入其感應(yīng)范圍，會啟動報警裝置。選用的HC-SR501模塊，其功耗低，耐用安全、工作在低電壓模式的特點，符合設(shè)計的需求。火焰?zhèn)鞲衅饔糜诟兄鹧妫捎肶S-17光敏電阻，利用紅外對火光極為靈敏的特性，通過特殊的紅外接收管來測量火光，進而將火光的亮度轉(zhuǎn)換為強弱變化的電平信息輸出[5]。

2.3? 無線通信模塊

無線通信模塊選用廣和通的FIBOCOM ADP-L610-Arduino模組，為4G蜂窩通信模組。板帶LTE CAT1通信模組L610，并自帶貼片物聯(lián)網(wǎng)SIM卡。支持外接串口，并可支持TTL/RS232兩種電平，可與外部MCU或PC連接;支持TYPE-C USB口，可與PC直連，USB口供電并通信，可獨立并便捷地進行通信方面的測試驗證。L610-CN是一款LTE Cat1 bis無線通信模組，可以LTE、GSM雙模通信。同時擁有VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能，適應(yīng)了IoT業(yè)務(wù)的不同使用需求。產(chǎn)品定位覆蓋中低速率物聯(lián)網(wǎng)市場，可為各領(lǐng)域客戶提供完美高速體驗。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 主控程序

軟件程序分為驅(qū)動傳感器完成數(shù)據(jù)采集、使用通信模組傳輸數(shù)據(jù)、控制設(shè)備啟動三大部分。物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件支持用戶通過網(wǎng)頁端查看所檢測的溫濕度等數(shù)據(jù)，并可以查看設(shè)備狀態(tài)并進行控制。首先是做好各項初始化工作，如時鐘初始化、定時器初始化，串口初始化，ADC初始化，GPIO初始化，傳感器初始化，DMA初始化等。其次是對傳感器的驅(qū)動及將采集的數(shù)據(jù)進行處理并上傳云端，最后設(shè)置接收云端的指令來啟動設(shè)備。

3.2? 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集主要是指對各個傳感器輸出信號的讀取，并進行存儲、轉(zhuǎn)化。其采集流程如圖2所示。包括溫濕度、光照傳度模擬iic串行總線讀取，二氧化碳濃度UART串口數(shù)據(jù)的讀取，土壤溫濕度ADC采樣的讀取，及火焰、紅外線高低電平的檢測。ADC采樣流程如圖3所示。

3.3? 無線通信模塊配置及數(shù)據(jù)傳輸

3.3.1? 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

阿里云提供了優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)平臺。其通信傳輸安全可靠，功能齊全，支持感應(yīng)層的設(shè)備數(shù)據(jù)上云，它的規(guī)則引擎完善，便于設(shè)備的管理，它支持用戶自定義物模型和結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)，同時它提供了監(jiān)控運維、數(shù)據(jù)分析和視頻服務(wù)，用戶可以遠程在線調(diào)試[6]。開發(fā)者也可基于阿里云平臺來開發(fā)網(wǎng)頁和APP。

3.3.2? 無線通信模塊配置

廣和通ADP-L610無線通信模組內(nèi)部集成了標(biāo)準(zhǔn)MQTT協(xié)議，與STM32是以串口通信形式。首先是對其軟件版本進行升級，使它能夠適配阿里云，再在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建產(chǎn)品及設(shè)備，然后是STM32與L610串口通信，首先初始化STM32的串口、DMA，接著單片機發(fā)AT指令對L610進行初始化配置，L610會返回狀態(tài)，對其處理后開始連接阿里云。L610初始化配置指令如圖4所示。

3.3.3? 數(shù)據(jù)傳輸流程

首先要在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建物模型，然后上報物模型數(shù)據(jù)，需要采用JSON格式。其中的三元組信息通過查看設(shè)備證書獲得。單片機可以根據(jù)返回的數(shù)據(jù)來判斷是否上報成功，數(shù)據(jù)傳輸具體流程如圖5所示。

3.4? 設(shè)備控制端程序

設(shè)備控制端接收到云端下發(fā)起的指令后會開啟設(shè)備，其啟動的條件及規(guī)則皆在云端進行設(shè)置，當(dāng)云端對傳感器上發(fā)的數(shù)據(jù)進行分析和處理后，用戶可指定一系列規(guī)則，例如設(shè)置閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)超過時，云端會向設(shè)備控制端下發(fā)指令，這樣避免了主控來判定數(shù)據(jù)打開設(shè)備，保障了MCU的性能，同時云端處理會迅速高效。STM32要設(shè)置與L610的串口通信來接收云端下發(fā)的指令，使用單片機的idle空閑中斷來接收不定長數(shù)據(jù)。設(shè)備控制分為手動和自動兩種，都是由云端下發(fā)指令到設(shè)備端[7]。自動模式下，物聯(lián)網(wǎng)云平臺根據(jù)農(nóng)作物自身生長狀況設(shè)置相應(yīng)的閾值，當(dāng)檢測值超標(biāo)后，會下發(fā)指令到STM32控制系統(tǒng)通過相應(yīng)的GPIO技術(shù)輸出高低電平來驅(qū)動電機及繼電器工作。電機通過定時器IO口輸出PWM波進行相應(yīng)的控制，主要是風(fēng)扇系統(tǒng)，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍，會啟動風(fēng)扇，根據(jù)溫度情況調(diào)整轉(zhuǎn)速來達到調(diào)控的目的，當(dāng)檢測值低于設(shè)定值則關(guān)閉。當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定閾值，會通過GPIO控制打開繼電器，開啟水泵，啟動灌溉系統(tǒng)。當(dāng)光照都過低時，也會打開繼電器，開啟照明系統(tǒng)。

4? 系統(tǒng)的測試

最后是系統(tǒng)測試階段，需要驗證其可行性，具體內(nèi)容有：

（1）在數(shù)據(jù)采集端，大棚農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)能正常采集并通過串口輸出。

（2）在數(shù)據(jù)傳輸端，L610能正常連接阿里云，并將數(shù)據(jù)上報，可通過阿里云平臺調(diào)取歷史數(shù)據(jù)、繪制數(shù)據(jù)折線圖，如圖6所示。

（3）在應(yīng)用層，用戶能通過網(wǎng)頁端看到采集的數(shù)據(jù)信息，設(shè)備的狀態(tài)并控制設(shè)備，用戶服務(wù)端如圖7所示。

經(jīng)過24小時的穩(wěn)定性測試，各系統(tǒng)能協(xié)同工作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，設(shè)備不會掉線。符合設(shè)計的需求，具有可靠性和穩(wěn)定性。

5? 結(jié)? 論

本文采用STM32F103 ZET6作為核心處理器，連接傳感器及控制設(shè)備，設(shè)計并實現(xiàn)了基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)云平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠檢測農(nóng)業(yè)大棚二氧化碳、溫濕度、光照、土壤濕度，并能火焰和人體紅外報警，通過L610無線通信模組將數(shù)據(jù)上傳至云端，并通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺下發(fā)指令到控制端來調(diào)控設(shè)備。經(jīng)測試，用戶可在網(wǎng)頁端看到監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)，并且系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定過的閾值自動啟動設(shè)備端，用戶亦可手動控制。本系統(tǒng)分層次、較為完整，具有一定的應(yīng)用價值。

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作者簡介：沈筱予（2001—），男，漢族，江蘇揚州人，初級工程師，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。