基于STM32的智能大棚環境監測管理系統的設計與實現

向鵬俊

（長江師范學院 大數據與智能工程學院，重慶 408100）

0 引 言

“智能大棚”是以物聯網技術為基礎的一套集監測、預警、控制于一體的現代化數字大棚監測管理系統。目前溫室大棚以人工管理為主，但人工操作存在較多弊端：首先，傳統大棚的監測管理復雜，不利于管理人員的操作和對大棚環境的監控，一旦出現操作失誤，影響作物的生長從而造成巨大的經濟損失；其次，傳統大棚因設備安裝和布線復雜等原因導致成本較高，對大規模種植經濟作物的效益產生一定程度的影響；最后，人工管理方式效率低下，不利于作物的大規模種植。傳統大棚成本高、生產效率低、產量低和效益低等缺點無法滿足當今數字化時代發展要求。隨著人民生活條件日益提高，開發智能大棚以滿足群眾需求勢在必行。

鑒于此，本文以STM32微處理器與樹莓派服務器為核心設計了一款智能大棚環境監測管理系統。該系統以物聯網感知技術、物聯網控制技術和無線通信技術為基礎，通過無線通信技術將傳感器節點采集的環境數據傳輸至樹莓派服務器，進行異構數據的處理和匯總。服務器對環境數據進行分析處理，發現異常數據后執行相應操作，以保證作物的生長處于最優環境。因此，收集大棚作物生產環境數據，進行數據融合、存儲和可視化處理，觀察數據變化趨勢，預知風險，對大棚作物生長環境的安全具有重要意義。

該系統架構分為三層，即感知層、傳輸層和物理層。感知層部分采集當前大棚的各項環境數據，在STM32中對環境數據進行處理。傳輸層的WiFi模塊將數據傳輸至樹莓派服務器并存儲節點數據，利用Qt、OneNET和Android中的hello chart模塊實現存儲數據的可視化，通過用戶終端實時查看大棚狀態，并支持用戶遠程操作，防止意外的發生。

1 智能大棚監測管理系統硬件設計

基于STM32的智能大棚環境監測管理系統建立在傳感器節點的基礎上，各節點組成傳感網絡。本章將針對感知層進行詳細介紹。在保證系統穩定的前提下，通過底層硬件的設計來提升系統的高效性和穩定性。本系統主要由溫濕度檢測模塊、電機控制模塊、光照強度檢測模塊、煙霧監測模塊和報警模塊組成，利用多傳感器節點數據采集技術，通過對數據的處理，完成對農業設備、通風設備、噴水閥等的控制。電路原理如圖1所示。本章將對智能大棚控制管理系統中使用的硬件進行簡要介紹。硬件系統框架如圖2所示。

圖1 系統電路原理

圖2 STM32總體框架

1.1 微型處理器

本系統選擇的微型處理器為STM32F103ZET6，其擁有強大的數據處理能力，能夠保障數據傳輸的及時性和正確性。以STM32作為傳感器節點控制核心，通過A/D轉換將采集的模擬信號量轉為數字信號量，對區域環境數據進行感知，如：溫度、濕度、光照強度和煙霧濃度等，再經火焰傳感器和L298N電機驅動模塊操作，最終處理器將傳感器收集的數據匯總，傳輸至服務器對數據進行存儲與處理。

1.2 電機控制模塊

電機控制模塊選用L298N芯片驅動電機。通過接收STM32發送的電平信號對電機進行控制。通過改變電平信號，達到對電機正轉和反轉的控制，實現對水泵的噴灑和開合。電機驅動模塊電路如圖3所示。

圖3 電機驅動模塊電路

1.3 土壤濕度傳感器模塊

該模塊選用YL69土壤濕度傳感器對大棚內農作物生長的土壤濕度進行采集，傳感器將采集的數據傳輸至STM32，系統根據預設土壤濕度值進行自動比較與判斷，進而執行噴水閥的開啟與關閉操作，使農作物生長土壤濕度處于最佳環境。土壤探頭接口電路如圖4所示。

圖4 土壤探頭檢測電路

1.4 煙霧傳感器模塊

選用MQ-2煙霧濃度監測傳感器，通過監測大棚內部的煙霧氣體，可防范火災、提醒報警、控制噴水閥自動滅火。煙霧檢測電路如圖5所示。

圖5 煙霧檢測電路

1.5 二氧化碳傳感器模塊

系統采用MH-Z14二氧化碳氣體傳感器，利用非色散紅外原理對空氣中存在的二氧化碳進行探測。二氧化碳是農作物光合作用的原料，二氧化碳施肥能促進植物的光合作用，提高植物光合作用率，因此，對二氧化碳含量的監測控制具有重要意義。

1.6 光敏傳感器模塊

光敏模塊采用光敏傳感器對大棚環境光線強度進行采集。光照強度是農作物生長的重要指標，將采集的數據傳輸至STM32中，系統可根據作物生長情況提供適合的光照強度，執行遮陽棚和燈具的開啟與關閉。

1.7 溫濕度檢測模塊

選用DHT11溫濕度傳感器采集大棚環境溫度和濕度信息，STM32向傳感器發送初始信號，并將數據線拉出至少18 ms；然后拉起數據線20～40 μs，等待DHT11響應。如果正確，DHT11將數據作為響應信號拉低，保持80 μs；DHT11拉起數據線，保持80 μs，輸出有效數據。采集狀態跳轉圖如圖6所示。溫濕度傳感器DHT11檢測電路如圖7所示。

圖6 DHT11采集狀態跳轉圖

圖7 DHT11檢測模塊電路

1.8 無線通信模塊

采用ESP8266為主芯片的WiFi通信模塊，ESP8266模塊采用串口與MCU通信，再通過透傳方式實現數據傳送。通過WiFi模塊將各傳感器節點組成傳感網絡，將采集的大棚環境數據傳輸至服務器進行匯總處理。

2 智能大棚監測管理系統設計及實現

智能大棚環境監測管理系統由傳感器節點、服務器和用戶終端組成。智能大棚環境監測管理系統結構如圖8所示。

圖8 智能大棚監測管理系統總體結構

該系統通過STM32根據采集的傳感器數據完成整體的執行部件控制功能，將傳感器節點與STM32單片機相結合，實現底層感知控制系統；將傳感器采集的數據通過多線程串口通信上傳到樹莓派嵌入式服務器，再存入嵌入式數據庫中，并在網關層的Qt軟件界面上實時顯示數據信息；網關作為客戶機，通過TCP/IP協議將數據上傳到Linux服務器并存儲到服務器的數據庫中，對數據庫中的數據進行實時分析處理，再對數據實現可視化操作，使系統具備提前預警及預處理的功能。

2.1 智能大棚監測管理系統功能模塊

（1）環境感知模塊：根據作物生長環境的情況，利用DHT11溫濕度傳感器進行大棚環境溫濕度采集：光敏傳感器實現光照強度的采集，MQ-2煙霧傳感器用于煙霧濃度的采集，最后將各傳感器模塊連接其對應的引腳。

（2）數據傳輸模塊：配置STM32串口1，將RXT和TXD連接實現串口數據的收發，將采集的環境數據傳輸至服務器。

（3）執行部件模塊：執行部件選用L298N電機驅動模塊、蜂鳴器和LED燈，當傳感器數據達到閾值時啟動聲光報警模塊和水泵。同時接收應用層指令，完成相應的操作。

（4）數據存儲模塊：將傳感器節點發送的異構數據進行分析處理，并存儲至MySQL數據庫，進行數據備案，為事故定責提供依據，便于數據分析處理。

（5）數據可視化模塊：本系統可為多個用戶終端提供可視化操作，針對不同用戶的使用需求，在網頁端使用OneNET平臺實現數據可視化操作，PC端在Qt平臺實現數據可視化和設備控制功能，移動端使用Android APP對數據進行可視化操作和設備控制。

2.2 智能大棚監測管理系統主要功能

2.2.1 智能灌溉

灌溉系統通過DHT11溫濕度傳感器模塊和YL69土壤濕度傳感器采集環境數據，通過STM32完成與控制臺的通信，采集的環境數據與設定的閾值進行比較，對灌溉系統進行控制。濕控模塊包括灌溉裝置和除濕裝置。根據不同作物對生長環境的需求，設為當前作物生長所需土壤濕度，當土壤濕度傳感器檢測土壤濕度低于%RH時，主控單元控制灌溉系統工作，使土壤濕度保持在（±20）%RH范圍。設為當前生長作物所需空氣濕度，當DHT11溫濕度傳感器檢測空氣濕度超過%RH時，主控單元控制除濕裝置工作，使空氣濕度保持在（±15）%RH范圍。

2.2.2 智能警報

警報系統由溫濕度傳感器、煙霧傳感器和土壤傳感器等組合而成，可將采集的環境數據傳輸至STM32進行處理，并通過串口將數據發送至主控制臺進行警報處理。系統在發現險情時會自動報警，報警單元包括蜂鳴器和報警燈。當環境數據異常時，發出聲光報警，提醒相關人員土壤濕度值低于閾值或有其他異?，F象發生，同時Qt控制臺顯示“土壤濕度過低請您注意”字樣，并通過GSM模塊發送至管理員手機報警。

2.2.3 智能遮陽

遮陽系統將光敏傳感器采集的數據傳輸至STM32與設定的閥值進行比較，根據比較結果執行相應的遮光或補光操作。光控單元包括補光裝置和遮光裝置，如光照強度檢測模塊檢測值小于2 500 Lux，則主控單元控制補光設備工作，反之控制遮光設備工作，使大棚內光照強度處于2 500～3 500 Lux，針對不同作物進行不同的顯示。

2.2.4 智能溫控

通風系統根據DHT11溫濕度傳感器采集溫度數據與預先設定的閾值進行比較，并采取相應的通風措施。如果溫度低于閾值20 ℃，則主控單元控制加熱裝置工作，升高室溫，反之執行降溫操作。夜間，適當降低大棚溫度以降低植物呼吸消耗，溫度范圍為12～15 ℃。

3 智能大棚監測管理系統軟件設計

智能大棚環境監測管理系統分為感知層、傳輸層和應用層。感知層基于Keil μVision5開發，實現STM32的數據采集、處理、融合和傳輸功能。應用層樹莓派服務器采用Python語言實現底層數據的接收、處理和存儲。智能大棚環境監測管理系統由底層驅動程序、系統主程序、無線通信子程序、Linux服務器子程序、Qt顯示子程序和數據庫子程序等組成。程序進行初始化后，通過檢測函數檢測相應的觸發信號并對檢測結果進行處理，執行對應的設備操作。智能大棚控制管理系統流程如圖9所示。

圖9 智能大棚控制管理系統流程

根據應用層軟件平臺的需求，實現對監測環境數據的實時顯示，將傳感器節點采集的環境數據存儲進數據庫，為后續數據分析處理做準備。選用MySQL數據庫進行增刪改查操作。數據庫E-R關系模型如圖10所示。

圖10 E-R關系模型

傳感器節點數據庫見表1所列。

表1 傳感器節點數據庫

數據庫的設計將相關聯的數據進行整合，在應用層平臺具有重要作用。從傳感器節點數據表出發，通過各表之間的主鍵關聯建立數據庫邏輯結構，有利于數據庫維護，便于用戶對數據庫的增刪改查操作。本系統在樹莓派服務器上的MySQL數據庫上實現相關應用，支持多用戶、多線程訪問。

4 智能大棚監測管理系統安裝與測試

本系統硬件電路主要包括STM32F103 MCU、樹莓派服務器、無線通信模塊、傳感器檢測模塊和L298N電機控制電路。軟件部分主要由Qt平臺、MySQL數據庫、安卓APP和OneNET平臺組成。

為進一步驗證該系統的可行性和穩定性，在實驗室模擬搭建智能大棚監測管理系統，模仿作物最真實的生長環境，具體步驟如下所示：

（1）系統聯機測試，首先將程序代碼燒錄至STM32控制器，配置ESP8266無線通信模塊，調試好模塊后與STM32主控制器的串口相連，并與樹莓派服務器的端口相連；

（2）Qt控制臺連接樹莓派服務器的遠程數據庫，設置系統檢測順序優先級，測試各傳感器節點的功能，將傳感器采集的信息通過STM32的WiFi模塊傳輸至樹莓派服務器，進行數據處理、儲存；

（3）Qt控制臺訪問服務器數據庫，進行環境數據實時顯示并支持遠程設備控制，實時觀察數據狀態，Qt控制平臺界面如圖11所示；

圖11 Qt控制平臺界面

（4）測試無線通信模塊的功能，將當前大棚各項環境數據傳輸至服務器，對數據進行解析處理，執行相關操作，最終由OneNET平臺實現數據可視化。OneNET數據可視化平臺界面如圖12所示。

圖12 OneNET數據可視化平臺界面

通過各項測試說明，各電路模塊及通信模塊功能正常，能夠處理執行預先設定的設備動作要求，系統完全滿足智能大棚控制管理的需求。數據庫存儲的環境數據如圖13所示。

圖13 數據庫存儲環境數據

5 結 語

本文設計了一款基于STM32的智能大棚環境監測管理系統。以STM32F103ZET6和樹莓派服務器為控制核心，結合Qt控制臺和OneNET平臺完成對大棚的控制、監測和數據可視化。通過對大棚的智能控制以期達到提高作物產量、提升經濟效益、減少工作人員工作量的目的。經過實地測試，該系統具有檢測準確度高、系統穩定性強、檢測全面和成本低等特點。該系統與傳統方案相比，部署快捷且成本低，采用無線通信覆蓋范圍大。經測試，系統實驗階段運行良好，其實驗成果將為溫室大棚智能化的進一步發展提供參考。