基于STM32單片機的新農業智能控制系統設計

鄒雙鸞，張夢瑤，陳曉登，李桂梅

（湖南工商大學智能工程與智能制造學院，湖南 長沙 410205）

農業是我國的傳統產業，也是國家支柱產業之一。相關研究表明：我國農業勞動力成本日趨增高，農業勞動力老齡化與短缺問題逐漸凸顯，農業智能化的需求日益增加。而農作物的產量與溫度、濕度、光照強度、CO?濃度息息相關。為能夠根據農作物不同生長周期所需的環境進行智能調整，滿足其合適的生長環境，提高農作物產量和農業管理的效率，筆者設計了新農業智能控制系統。

1 硬件設計

本控制系統由單片機模塊、空氣溫度監測模塊、土壤濕度監測模塊、光照強度監測模塊、CO?監測模塊、通信模塊、驅動模塊和顯示與控制模塊共8個模塊組成，其系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 單片機模塊

單片機選用STM32F103，STM32F103微控制器具有高性能、豐富的外設和接口、靈活的存儲容量選擇、低功耗特性以及安全功能等特點。功能較為完善，可以滿足此次設計需要。

1.2 空氣溫度監測模塊

DS18B20 是一種“單總線”接口的溫度傳感器。DS18B20通過測量溫度對其內部器件電阻值，從而實現溫度的檢測。DS18B20 內置有一個溫度感應器和一個處理模塊，當溫度發生變化時，感應器的電阻值也會發生變化，這個變化被傳遞給處理模塊，經過一系列運算之后最終以數字信號的形式輸出。整個過程由芯片內部自動完成，當系統需要獲取傳感器的數據時，需要從信號引腳DQ輸入特定的指令，傳感器會對指令進行解析，并向DQ引腳輸出相應的溫度數值。

1.3 土壤濕度監測模塊

采用YL-69 土壤濕度傳感器，其原理為濕敏電容，當環境的濕度發生改變時，會使得濕敏電容存在環境中的介質發生改變，導致濕敏電容中的電容數值產生變化，電容的數值正比于濕度值。由于濕敏電容有著很高的靈敏度、響應速度快、滯后量小的特點，所以濕敏電容很容易小型化和集成化。此傳感器發送的不是數字量而是模擬量，因此配置內部外設AD 接收數據，再通過數值轉換變成一個易于理解的較為直觀濕度數據。

1.4 CO?監測模塊

采用CO?傳感器TGS4160，它是一種電化學型氣體的敏感元件，當該元件暴露在CO?氣體環境中時，就會產生電化學反應。CO?的敏感原件由2個固態電解質組成，結合一個印制在基板上的RuO2加熱器。通過監測S（+）、S（-）兩個電極之間所產生的電勢值，通過檢測兩個電極之間電動勢的變化來測試CO?的濃度。TGS4160將檢測到的CO?濃度信號經運算放大器處理后，再將OUT 信號送入A/D 轉化器轉化為數字信號。

1.5 光照監測模塊

采用BH1750 芯片，BH1750 的內部由光敏二極管、運算放大器、ADC采集、晶振等組成。光電二極管通過光生伏特效應將輸入光信號轉換成電信號，經運算放大電路放大后，由ADC 采集電壓，然后通過邏輯電路轉換成16 位二進制數存儲在內部的寄存器中，BH1750引出了時鐘線和數據線，單片機通過IIC協議可以與BH1750 模塊通訊，選擇BH1750 的工作方式，并將BH1750寄存器的光照度數據提取出來。

1.6 驅動模塊

驅動模塊包含對溫度、濕度、光照強度和CO2 濃度等環境變量的改變裝置，即半導體制冷制熱片、加濕器、遮陽板、補光燈珠、排風扇。

1.6.1 半導體制冷制熱片模塊

采用TEC1-12706 半導體制冷片，通過主控芯片進行PID算法，來達到反饋控制效果。

半導體制冷模塊是一種利用半導體材料的P-N結具有變溫效應的特性，以電流為能量源來產生熱、冷的技術。半導體制冷模塊的工作原理和基本流程是：

1)雙面加熱：將制冷模塊的兩側分別接通正負電壓，并使之通過電流而產生P、N帶的高溫區域和低溫區域。

2)P、N帶熱交換：半導體單元中電子通過N帶進入到P帶，同時半導體材料中的熱量也可以隨著電子從熱面傳遞到冷面，實現冷卻效果。

3)熱電子擴散：由于半導體材料中電子濃度會發生變化，所以會出現熱電勢差，HER（霍爾效應）將熱量從高溫區推入低溫區。

4)從低端排放熱：冷面的半導體結在不斷吸收熱量，在消耗時間過后，需要排出這些已經累積在單元上的熱量，否則會引起過熱。

1.6.2 加濕器模塊

通過采用USB噴霧模塊，來實現提高室內濕度的功能。該模塊采用高頻振蕩，表面上釉，綠色環保，工作靜音，續航能力強且體積小，易安裝。包括2種工作模式，連續噴霧和間斷噴霧，與繼電器相連，可通過單片機實現靈活控制濕度。

1.6.3 遮陽板模塊

選用的是SG90 9G 舵機，能180 度旋轉從而控制旋動遮陽板，而且驅動較為簡單，通過定時器輸出一路PWM就可以控制旋轉角度。

對于控制光照強度的做法，采用在舵機上加一個遮陽板，遮陽板上有不同的區域，光能透過面積不同，這樣舵機通過轉動不同的角度，就可以實現不同光照強度的轉換了。

1.6.4 補光燈珠模塊

1.6.5 排風扇模塊

通過單片機輸出PWM波控制排風扇風速來實現濕度過高時的排濕功能和CO?濃度過高的換氣功能。

1.7 OLED顯示模塊

采用OLED，由于同時具備自發光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優異特性，被廣泛應用。

OLED 屏幕與主板之間的數據傳輸通過IIC 驅動實現，其他的字符輸出、清空屏幕等控制命令操作，均可通過相應的IIC命令實現。

1.8 Wi-Fi模塊

本設計使用的聯網模塊是ESP8266-01s，該模塊采用32 位低功耗芯片，主頻高達160MHz，支持AT 指令，同時也支持二次開發。本設計主要通過串口發送AT 指令與ESP8266-01s 模塊進行通信，控制ESP8266-01s模塊聯網和發送數據。

1.9 Lora模塊

ATK-LORA-01_V3.0 是一款體積小、微功率、低功耗、高性能遠距離LORA 無線串口模塊。本網關采用LORA無線通信的方式來發送和接收環境數據。

高校輪滑課程的開設,一方面是積極響應國家的號召加強身體健康教育，另一方面也為學生枯燥乏味的學習生活營造了不少樂趣。同時，對于學生因輪滑活動學習而導致的磕碰、扭傷、摔傷等情況時，學校應該認真處理，并制定出相應的預防措施，避免因加強學生體育素質而讓受傷學生心理受到影響，違背體育素質教育初衷。本文通過對輪滑活動課程學生受傷情況進行調查分析，并據此提出有效性防范措施。

模塊設計是采用高效的ISM 頻段射頻SX1278 擴頻芯片，這種發射芯片的優點是集成度高、功耗低、頻段多，既能夠實現遠距離的戶數傳輸任務，同時抗干擾的能力又比較強，能夠使用多種不同頻段進行數據傳輸。模塊的工作頻率410Mhz～441Mhz，以1Mhz 頻率為步進信道，共32個信道，可通過AT指令在線修改串口速率、發射功率、空中速率、工作模式等各種參數，并且支持固件升級功能。

ATK-LORA-01 在使用時，采用AT 指令，通過串口通信的方式，可以配置地址、信道、空中速率、發射功率等參數。在工作時，若傳輸方式為透明傳輸，可以實現地址相同、信道相同的LORA 模塊間的數據傳輸；若傳輸方式為定向傳輸，可以實現地址不同，信道不同的LORA 模塊間的數據傳輸，避免數據的混亂或者泄露。本次設計采用透明傳輸的方式進行數據的傳送。

2 軟件設計

2.1 節點板系統主程序設計

系統啟動后，節點板會持續地通過傳感器對各類環境參數進行檢測，初始化完成后，就定時將各傳感器返回的數據發送給網關板，在驅動部分開始前，會檢測是否接收到上位機的命令，根據命令判斷是運行自動模式還是手動模式。

自動模式下，每次運行都會依次判斷光度，溫度，濕度，CO2濃度是否符合設定區間，如果參數值不在設定區間范圍內，則按照預先設置好的應對過高或過低2 種情況運行驅動模塊。手動模式時，操控員可以依據云端顯示的數據，按照自己的想法發出命令驅動工作電路，如圖2所示。

圖2 節點板主程序流程圖

2.2 網關板系統主程序設計

主程序初始化時鐘、IO 口、定時器、串口、OLED、LORA 模塊、Wi-Fi 模塊，連接熱點后，網關板部分進入第一次連接網絡，若成功，則進入工作循環部分，定時發送串口接收的數據至云端，如圖3所示。

圖3 網關板主程序流程圖

2.3 光照強度調控過程

根據傳入的數值與設定閾值比較結果，為了避免反復操作或判斷異常，決定根據光照強度的返回值設置區間，分為表示低、中、高，當返回值是0～10 000，為“低”，當返回值是10 000～35 000 時，為“中”，35 000～59 577時，為“高”。當判定為低時，通過旋轉舵機，打開遮陽板并且同時打開補光燈，判定為“中”時，僅通過旋轉舵機打開遮陽板，判定為“高”時，不進行操作，即舵機不旋轉，避免光照強度太高對植物造成傷害，如圖4所示。

圖4 光照強度模塊調控流程圖

2.4 溫度調控過程

根據傳感器返回的數值與所設閾值上下限判斷，通過驅動電路來驅動半導體制冷片工作，為了更好地控制溫度，采用PID算法，來對PWM輸出進行控制。

PID 算法過程：模糊PID 控制在常規PID 基礎上，以溫度反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，一方面送入模糊控制器用模糊推理的方法計算PID 參數的調整系數，進行在線自整定，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求。

計算欲調整的控制量變化量：將誤差代入3 個調整項，得到修正控制量的變化值u(t)，公式如下：

其中，Kp、Ki、Kd是指定的3 個系數，對應的是比例項p、積分項i和微分項d。擬定Kp為2.0，Ki為0.03，Kd為0.1，調整項e(t)表示誤差，在這里即為當前溫度與目標溫度之差；∫e(t)dt表示從起始時刻開始到當前時刻e(t)的時間積分值，也就是誤差的累計值；de(t)/dt表示誤差的導數值，用于預測誤差隨時間的變化趨勢。最后輸出控制量，用調整的控制量變化量u(t)更新半導體制冷片工作力度，經過調試，限制u（t）值在0～100，然后將結果賦值給控制輸入端口，循環重復上述步驟。

2.5 CO?濃度調控過程

當大棚內CO?濃度過高時，打開排風扇，通過使空氣流動降低CO?濃度，同時配合CO?濃度傳感器的反饋，實現對CO?濃度的基本控制。

2.6 濕度調控過程

根據傳入的數值與設定閾值比較結果，采用模糊控制算法。獲取的土壤濕度數據為模擬量，范圍為0～4 095，通過將簡單數據處理得到一個范圍為0～100比較直觀的數據，方便與閾值比較。

對繼電器進行初始化，將獲取的濕度與設置的閾值進行比較。當濕度較低時，通過控制繼電器開啟加濕器進行加濕；當濕度較高時，關閉繼電器加濕器，打開排風扇進行排濕。

2.7 通信模塊調控過程

節點板的單片機將目標數據通過串口通信，利用Lora模塊將數據發送至與網關板連接的Lora模塊，網關板的單片機也通過串口通信從Lora 模塊中取得數據并將數據保存，再利用ESP8266-01s 模塊，通過連接Wi-Fi 能實現將數據發送至移動云端，就可以通過PC登錄OneNet查看數據并發送數據，如圖5所示。

圖5 通信部分示意圖

2.8 LORA模塊工作過程

初始化時，單片機通過結構體的方式，將LORA模塊的各個參數如地址、信道、工作方式、發射功率等打包配置好，并發送相應設置指令，然后通過串口發送測試指令給LORA，當接收到LORA 模塊返回的“OK”之后，完成驗證，網關板或節點板就可以通過串口發送或接收相應的數據，如圖6所示。

圖6 LORA模塊工作流程圖

2.9 MQTT協議設計

MQTT 是一種基于發布/訂閱模式的輕量級通信協議，使用MQTT 協議連接ONENET 云平臺，可以實現通過互聯網進行遠程監控和控制的應用。

MQTT 協議的傳輸模型總體分為2 部分，即消息代理端和客戶端，分別對應服務器和網關。其中，網關作為發布者通過MQTT 協議與服務器連接并上傳來自節點的傳感器數據。服務器作為消息代理端接收和保存來自發布者的入網消息，并通過存儲轉發功能將消息從發布者推送到訂閱者。網關作為訂閱者通過控制報文與服務器進行消息交互，在向服務器發送等級0的訂閱消息后便能收到服務器訂閱主題上推送的消息，包括子設備和網關參數、傳感器數據以及設備狀態等。

連接中國移動ONENET 云平臺采用MQTT 協議的具體步驟如下：

1)注冊賬號和創建設備：在中國移動ONENET平臺上注冊賬號，并創建一個新產品，在產品下創建一個新設備，獲取設備的ID和產品ID以及鑒權信息。

2)選擇MQTT 連接方式：在設備管理頁面中選擇使用MQTT 方式連接設備。此時會顯示一些連接參數，包括MQTT 連接地址：183.230.40.39，端口號：6002，等信息。

3)配置MQTT 客戶端連接：使用支持MQTT 協議的開發工具或硬件模塊，編寫程序代碼或配置相應的連接工具，將設備的ID 和訪問密鑰等參數輸入進去，建立MQTT連接。

4)訂閱和發布主題：當連接成功后，設備即可通過MQTT 協議向ONENET 平臺訂閱或發布主題。具體可以根據業務需求設計相應的主題結構，例如設備狀態信息、傳感器數據等。

5)接收數據：即下行數據可以通過訂閱指定的主題來進行接收。例如，可以訂閱設備狀態控制主題，當云平臺下行了指令時，設備就會收到指令并進行相應操作。

6)上報數據：通過MQTT 協議上報傳感器實時數據或設備狀態信息等，直接調用相關函數即可。

網關節點與OneNet 云平臺之間的數據傳輸采用MQTT 通信協議，數據協議規定采用JSON，將變量中的數據賦值給字符串中相應位置，將此字符串發送至云端后，根據JSON 數據協議，自動提取數據，分給名稱相同的數據流呈現數據。

3 測試方案與測試結果

3.1 測試方案

1）硬件測試：在上電后，觀察各個模塊是否正常運行，例如OLED是否能夠顯示，在調試連接ONENET上，是否能正常看到設備的在線顯示，LORA模塊是否正常初始化。

2）軟件測試：本系統程序由主程序和若干個子程序構成，先將單片機內部資源的驅動程序配置好，然后將各個子模塊驅動程序配置好，包括光照強度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、CO?傳感器模塊、顯示模塊、無線通信模塊、Wi-Fi 模塊和驅動控制模塊等，然后再編寫系統功能程序，使各個功能合作。

3）軟件硬件聯調：通過編寫程序連接硬件，觀察單片機寄存器內部參數是否正常并反復測試系統功能是否準確。

3.2 測試結果及分析

設計安裝的新農業智能控制系統，環境參數檢測功能和驅動設備功能良好、穩定性強。在預設的農作物溫室里，傳感器檢測的環境參數準確率99.5%，根據環境參數和預設的閾值判斷準確率100%，并通過相應的設備對環境進行改善，以達到農作物最佳生長環境，系統可靠性99.8%，穩定性強。

4 結束語

本文設計的基于STM32F103 單片機的新農業智能控制系統，利用溫度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器、CO?傳感器感知環境參數；利用LORA模塊實現網關板與節點板的無線通信；通過PWM 波驅動舵機、電機、半導體制冷片等設備對環境進行智能調整。同時，網關板通過Wi-Fi模塊，采用MQTT協議發送數據至ONENET云服務器，實現遠距離實時監控目的環境的各種參數。利用LoRa技術可無線傳輸遠距離和抗干擾能力強的優點解決了農業場景中面積大、多在偏僻地區且移動信號差的問題。

與當前傳統農業模式相比，新型農業智能控制系統既可以節省勞動力，又能夠節約水資源，符合可持續發展戰略要求，系統穩定性高、可擴展性強，能對農作物的生長環境進行實時記錄與監測，有利于提高農作物的產量，具有良好的市場價值。