基于單片機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張鵬

摘 要： 隨著科技進(jìn)步及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，越來(lái)越多的農(nóng)業(yè)大棚開(kāi)始引入智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)傳感器實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照等，并將獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。同時(shí)，農(nóng)民通過(guò)無(wú)線終端設(shè)備相關(guān)App軟件遠(yuǎn)程查看大棚各環(huán)境參數(shù)，高效幫助其進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚管理和決策。智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，減少資源的浪費(fèi)，快速提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；傳感器；環(huán)境；系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）09-0053-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著人口的增加和資源的有限性，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)無(wú)法滿足人們對(duì)食品的需求，因此，引入智能化技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)和控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，成為解決這一問(wèn)題的有效途徑。本論文旨在設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器采集環(huán)境參數(shù)，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，實(shí)現(xiàn)人為對(duì)大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、精確性和自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以提高農(nóng)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量和產(chǎn)量，并減少資源的浪費(fèi)。通過(guò)本論文的研究，將為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有力的技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要目標(biāo)

本項(xiàng)目是基于單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)一款智慧農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而更好地管理農(nóng)業(yè)大棚植物生長(zhǎng)。具體功能如下[1]：

1） 環(huán)境溫度和濕度檢測(cè)：系統(tǒng)采用SHT30溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

2） 光照強(qiáng)度檢測(cè)：系統(tǒng)采用BH1750光照傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

3） 報(bào)警閥值設(shè)置：系統(tǒng)支持按鍵操作，用戶可以通過(guò)按鍵調(diào)整報(bào)警閥值，以適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)環(huán)境需求。

4） 報(bào)警聲音提示：當(dāng)溫度、濕度或光照強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定的閥值時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)報(bào)警，連接的蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒用戶注意。

5） 數(shù)據(jù)顯示和管理：系統(tǒng)從單片機(jī)端通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)接收，用戶通過(guò)智能手機(jī)特定App軟件查看當(dāng)前的溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以設(shè)置報(bào)警閥值，在手機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)流程

2.2 主控芯片連接

STM32F103RCT6是一款高性能、低功耗的32位嵌入式集成單片機(jī)芯片，本設(shè)計(jì)將其作為主控芯片負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理，并與其他模塊通過(guò)相關(guān)引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

2.3 溫濕度傳感器連接

主控芯片上的I2C接口引腳（SDA和SCL） 與溫濕度傳感器SHT30上I2C總線對(duì)應(yīng)引腳相連。

2.4 光照傳感器連接

主控芯片上的I2C接口引腳與光照傳感器BH1750上I2C總線對(duì)應(yīng)引腳相連。

2.5 報(bào)警蜂鳴器連接

報(bào)警蜂鳴器通過(guò)一個(gè)GPIO引腳與主控芯片相連。當(dāng)報(bào)警條件觸發(fā)時(shí)，主控芯片控制該引腳輸出高電平信號(hào)，以激活蜂鳴器發(fā)出聲音提示。

2.6 HC05藍(lán)牙模塊連接

HC05藍(lán)牙模塊用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與Android手機(jī)App之間的數(shù)據(jù)傳輸。它通過(guò)串口通信與主控芯片相連，主控芯片上的對(duì)應(yīng)串口引腳（UART_TX和UART_RX） 與藍(lán)牙模塊的對(duì)應(yīng)引腳相連[2]。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

主控芯片（STM32F103RCT6） 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理，它與其他硬件模塊相連接，接收傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和報(bào)警判斷。

3.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器（SHT30） 通過(guò)I2C總線與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度和濕度，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主控芯片進(jìn)行處理。

以下是驅(qū)動(dòng)SHT30傳感器讀取溫濕度主要程序設(shè)計(jì)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口打印出來(lái)。

1） 定義宏和函數(shù)：

#define SHT30_ADDR 0x44；

void I2C1_Init（void）；void I2C1_Start（void）；void I2C1_Stop（void）；

void I2C1_WriteByte（uint8_t byte）；uint16_t I2C1_ReadByteAck（void）；

以上三行定義地址和用于控制I2C總線的函數(shù)。

void SHT30_Init（void）；

void SHT30_Measure（float *temperature， float *humidity）；

以上兩行定義SHT30傳感器初始化和測(cè)量溫濕度的函數(shù)。

void USART1_Init（void）；void USART1_SendChar（char ch）；

int fputc（int ch， FILE *f）；

以上兩行定義初始化USART1串口和發(fā)送字符的函數(shù)，以及重定向標(biāo)準(zhǔn)輸出流的函數(shù)。

2） 初始化函數(shù)：

void I2C1_Init（void）

該函數(shù)用于初始化I2C1總線和相關(guān)的引腳，使能I2C1和GPIOB的時(shí)鐘，并配置I2C1的引腳，包括引腳的速度、模式、占空比、從機(jī)地址等參數(shù)。

void USART1_Init（void）

該函數(shù)用于初始化USART1串口和相關(guān)的引腳，使能USART1和GPIOA的時(shí)鐘，配置USART1的引腳，包括引腳的速度和模式等，在USART1配置中包括波特率、字長(zhǎng)、停止位、校驗(yàn)位等參數(shù)。

3） I2C總線控制函數(shù)：

void I2C1_Start（void）；void I2C1_Stop（void）；

void I2C1_WriteByte（uint8_t byte）；uint16_t I2C1_ReadByteAck（void）；

以上兩行函數(shù)定義用于控制I2C總線的起始、停止、寫(xiě)數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)操作。

4）SHT30傳感器初始化和測(cè)量函數(shù)：

void SHT30_Init（void）；

void SHT30_Measure（float *temperature， float *humidity）；

SHT30_Init函數(shù)用于初始化SHT30傳感器，在該函數(shù)中，首先需要發(fā)送軟件復(fù)位指令給傳感器，再延時(shí)一段時(shí)間等待傳感器重置。SHT30_Measure函數(shù)用于測(cè)量溫濕度數(shù)據(jù)，在該函數(shù)中，發(fā)送測(cè)量指令給傳感器，再延時(shí)等待傳感器完成測(cè)量，最后從傳感器讀取溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)指針參數(shù)返回給主程序。

5） 串口控制函數(shù)：

void USART1_SendChar（char ch）；int fputc（int ch， FILE *f）

USART1_SendChar函數(shù)用于通過(guò)USART1串口發(fā)送一個(gè)字符，在該函數(shù)中，通過(guò)輪詢USART狀態(tài)寄存器的空閑標(biāo)志位，判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，再把字符寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行發(fā)送。fputc函數(shù)是C庫(kù)函數(shù)的重定向函數(shù)，用于將標(biāo)準(zhǔn)輸出的字符發(fā)送到USART1串口。說(shuō)明，對(duì)于每個(gè)調(diào)用printf函數(shù)輸出的字符，都通過(guò)USART1_SendChar函數(shù)發(fā)送出去。

3.2 光照傳感器模塊

光照傳感器（BH1750） 通過(guò)I2C總線與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度。如下是主要程序設(shè)計(jì)，用以驅(qū)動(dòng)BH1750讀取環(huán)境光照強(qiáng)度[3]。

1） 定義BH1750的地址BH1750_ADDR為0x23（默認(rèn)地址）。

2） 調(diào)用I2C1_Init（）函數(shù)，并初始化I2C1總線和相關(guān)的GPIO引腳。其中，通過(guò)RCC_APB1PeriphClockCmd和RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)使能I2C1和GPIOB時(shí)鐘，然后配置GPIOB的引腳輸出模式。其次，使用I2C_Init函數(shù)初始化I2C1，并設(shè)置其工作模式、占空比、禁止應(yīng)答、地址模式以及通信速率。最后，通過(guò)I2C_Cmd函數(shù)使能I2C1。

3） 調(diào)用I2C1_Start（）函數(shù)用于發(fā)送I2C總線的起始信號(hào)，同時(shí)，調(diào)用I2C_GenerateSTART函數(shù)和I2C_CheckEvent函數(shù)共同作用發(fā)送起始信號(hào)和等待起始信號(hào)完成發(fā)送。

4） 調(diào)用I2C1_Stop（）函數(shù)用于發(fā)送I2C總線的停止信號(hào)，同時(shí)，調(diào)用I2C_GenerateSTOP函數(shù)發(fā)送停止信號(hào)。

5） 調(diào)用I2C1_WriteByte（）函數(shù)用于向I2C設(shè)備發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過(guò)I2C_SendData函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并使用I2C_CheckEvent函數(shù)等待發(fā)送完成。

6） BH1750_ReadData（）函數(shù)用于讀取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，該函數(shù)發(fā)送啟動(dòng)測(cè)量指令和模式設(shè)置指令（連續(xù)高分辨率測(cè)量模式），并通過(guò)兩次讀取數(shù)據(jù)寄存器的方式獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將其拼接為一個(gè)16位的無(wú)符號(hào)整數(shù)。

7） USART1_Init（）函數(shù)用于初始化USART1串口和相關(guān)的GPIO引腳，同時(shí)，使用RCC_APB2PeriphClockCmd函數(shù)使能USART1和GPIOA時(shí)鐘，并配置GPIOA的引腳9為復(fù)用推挽輸出模式（GPIO_Mode_AF_PP） 。在調(diào)用USART_Init函數(shù)中需要初始化USART1，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位、奇偶校驗(yàn)、硬件流控制。

8） USART1_SendChar（）函數(shù)用于發(fā)送一個(gè)字符到USART1串口，同時(shí)，使用USART_SR寄存器的USART_FLAG_TXE標(biāo)志位檢查發(fā)送緩沖區(qū)是否為空，再通過(guò)USART_SendData函數(shù)發(fā)送字符數(shù)據(jù)。

9） 調(diào)用fputc（）函數(shù)重定向輸出流，并用printf函數(shù)打印字符發(fā)送到USART1串口，在該函數(shù)中同時(shí)調(diào)用USART1_SendChar函數(shù)發(fā)送字符數(shù)據(jù)，并返回該字符。

10） 最后在main（）函數(shù)中，依次調(diào)用I2C1_Init（）和USART1_Init（）函數(shù)進(jìn)行初始化操作，并通過(guò)printf函數(shù)向串口發(fā)送初始信息。

3.3 報(bào)警蜂鳴器模塊

報(bào)警蜂鳴器通過(guò)一個(gè)GPIO引腳與主控芯片相連。當(dāng)報(bào)警條件滿足時(shí)，主控芯片控制該引腳輸出高電平信號(hào)，以激活蜂鳴器發(fā)出聲音提示。

如下是主要程序設(shè)計(jì)，使用STM32F103標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)編寫(xiě)的蜂鳴器控制代碼。

1） 定義BEEP_Init函數(shù)用于初始化蜂鳴器引腳，將其配置推挽輸出模式。

2） 定義BEEP_On和BEEP_Off函數(shù)分別用于開(kāi)啟和關(guān)閉蜂鳴器。

3） 最后調(diào)用main函數(shù)，通過(guò)循環(huán)控制蜂鳴器以500ms的間隔進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉操作。

3.4 HC05藍(lán)牙模塊

HC05藍(lán)牙模塊通過(guò)串口通信與主控芯片相連，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)App之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，它接收主控芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙與智能手機(jī)App進(jìn)行交互。

如下是主要程序設(shè)計(jì)，通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)HC05模塊，進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)通信。

1） 定義宏和函數(shù)：

#define AT_CMD_MODE? ? ?"AT+CMODE=0＼r＼n"

#define AT_CMD_PW? ? ? ?"AT+PSWD=1234＼r＼n"

void USART2_Init（void）;

void USART2_SendChar（char ch）;? void USART2_SendString（char* str）;

char USART2_Receive（void）;

以上五行定義用于配置HC05模塊的AT指令，以及用于初始化USART2串口、發(fā)送字符和字符串、接收字符的函數(shù)。

2） USART2串口初始化函數(shù)：

void USART2_Init（void）

該函數(shù)用于初始化USART2串口和相關(guān)引腳，其中，包括使能USART2和GPIOA的時(shí)鐘，配置USART2的引腳。同時(shí)，還需要USART2進(jìn)行配置，包括波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位、奇偶校驗(yàn)位等參數(shù)，最后使能USART2串口。

3） 發(fā)送字符和字符串函數(shù)：

void USART2_SendChar（char ch）；void USART2_SendString（char* str）

以上兩個(gè)函數(shù)定義用于通過(guò)USART2串口發(fā)送字符和字符串。對(duì)于USART2_SendChar函數(shù)，它會(huì)等待發(fā)送緩沖區(qū)為空，然后將字符寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行發(fā)送。對(duì)于USART2_SendString函數(shù)，它會(huì)遍歷字符串中的每個(gè)字符，并調(diào)用USART2_SendChar函數(shù)進(jìn)行發(fā)送。

4） 接收字符函數(shù)：

char USART2_Receive（void）

該函數(shù)用于從USART2串口接收一個(gè)字符。其功能是等待接收緩沖區(qū)非空時(shí)，讀取數(shù)據(jù)寄存器的值并返回接收到的字符。說(shuō)明，此函數(shù)在主循環(huán)中可以用于接收HC05模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

4 程序調(diào)試測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

1） 檢查主控芯片STM32F103RCT6、傳感器模塊SHT30和BH1750以及藍(lán)牙模塊HC05的是否連接正確，并使用示波器或多用途測(cè)試儀檢測(cè)各個(gè)模塊的電源供應(yīng)和信號(hào)線連接是否正常。

2） 測(cè)試溫濕度傳感器（SHT30） 和光照強(qiáng)度傳感器（BH1750） 是否能夠正確采集環(huán)境數(shù)據(jù)[4]。

3） 測(cè)試蜂鳴器是否能夠發(fā)出合適的聲音提示。

4.2 固件程序測(cè)試

1） 在STM32開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯程序，將固件程序燒錄到主控芯片STM32F103RCT6上，并使用串口調(diào)試助手等工具，與STM32建立通信連接，檢查數(shù)據(jù)的傳輸和接收是否正常。

2） 對(duì)溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，觀察是否能夠準(zhǔn)確讀取傳感器數(shù)據(jù)。

3） 設(shè)置閾值并測(cè)試報(bào)警功能，確保報(bào)警觸發(fā)條件和報(bào)警提示的準(zhǔn)確性。

4.3 智能手機(jī)App測(cè)試

1） 打開(kāi)App，并與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，觀察是否能夠成功建立通信。

2） 測(cè)試數(shù)據(jù)的傳輸和接收功能，確保從STM32接收到的數(shù)據(jù)能夠在App界面上正確顯示。

3） 設(shè)置閾值并觸發(fā)報(bào)警測(cè)試，確認(rèn)報(bào)警提示是否按照設(shè)定的條件正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)主要通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)、主控芯片處理和判斷、藍(lán)牙通信與智能手機(jī)App交互，以及報(bào)警蜂鳴器的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警功能。總的來(lái)說(shuō)，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程對(duì)軟硬件的協(xié)同工作、數(shù)據(jù)處理、用戶體驗(yàn)等方面有了更深入的理解，成功地將智能農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶入實(shí)際應(yīng)用，并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者提供了一種方便、高效且可靠的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李海，朱雁鋒，李媛瓊，等.智慧農(nóng)場(chǎng)環(huán)境溫濕度信標(biāo)智能檢測(cè)系統(tǒng)[J].信息記錄材料，2019，20（8）：193-194.

[2] 孫繼梅.淺談土壤墑情的及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的意義[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019，39（23）：112-113.

[3] 馬佳力，謝婭婭.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2019，32（1）：134-135.

[4] 劉岑松，羅小巧，洪習(xí)歡.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2020，43（1）：176-180.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】