基于云平臺的新疆農田氣候檢測系統設計與實現

摘要：文章設計并實現了一種基于云平臺的新疆農田氣候檢測系統，用于實時監測農田環境參數（風速、溫濕度、PM2.5） ，提高農業生產智能化水平。系統采用 STM32 單片機結合傳感器采集數據，通過 ESP8266 Wi-Fi 模塊上傳至機智云平臺，用戶可通過手機 App 實時查看數據并接收報警信息。系統測試結果表明，該系統能夠有效監測農田氣候，為農業生產提供數據支持和預警服務。

關鍵詞：云平臺；農田氣候檢測；STM32；ESP8266；機智云；遠程監控

中圖分類號：TP311" " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）24-0085-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

全球氣候變化對農業生產，尤其是干旱和半干旱地區的影響愈加嚴峻。新疆地區氣候干旱，水資源緊張，極端天氣頻發，嚴重威脅農作物生長和產量，影響糧食安全 [1-3]。因此，及時獲取和分析農田氣候數據，已成為提高農業生產效率和確保糧食安全的重要手段。

傳統的氣候監測手段大多依賴人工觀測和局部監測，存在數據采集不及時、監測精度低、覆蓋范圍有限等問題，難以滿足新疆廣闊農田的監測需求。

因此，基于現代信息技術的自動化、智能化農田氣候監測系統至關重要[4]。本文設計了一種基于云平臺的農田氣候檢測系統，采用STM32單片機、傳感器、ESP8266 Wi-Fi模塊以及機智云平臺，實現新疆農田氣候數據的實時采集、遠程監控和異常報警，以提高農業生產效率和抗風險能力。

1 系統硬件方案設計

1.1 系統總體結構

本系統主要由STM32F407VET6單片機、風速傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、轉換模塊、升壓模塊、報警模塊、Wi-Fi模塊、云平臺以及手機App等構成。具體的農田氣候檢測系統整體框圖如圖 1 所示。

該系統以 STM32 單片機作為核心控制單元，結合RS485三杯式風速傳感器、YDTH-06 溫濕度變送器和 PM2.5 傳感器實時采集農田環境數據。風速傳感器和溫濕度傳感器通過RS485 轉 TTL 轉換模塊與單片機連接，以確保數據的穩定傳輸。同時，系統還配備了一個升壓模塊，將電壓提升至 12V，以為風速傳感器提供所需的電力。通過 ESP8266 Wi-Fi 模塊，系統將采集到的環境數據上傳至云平臺，用戶可以通過手機應用實時監控數據，并根據需要設置閾值。一旦環境參數超過預設閾值，系統會自動觸發報警提醒用戶，及時采取措施，避免不利天氣條件對農作物生長產生影響。

1.2 STM32F407VET6單片機

單片機在本系統中負責數據的采集、處理、存儲、通信和遠程控制等，確保系統的實時性、穩定性和數據準確性。結合設計的需求，選擇具備高性能、低功耗、豐富通信接口和強大開發支持的STM32F407VET6單片機。

STM32F407VET6[5]是一款基于ARM Cortex-M4內核的高性能微控制器，主頻高達168 MHz，內置硬件浮點運算單元FPU，適用于需要實時數據處理的農業監控系統；其低功耗設計支持多種省電模式，能夠延長其系統運行時間；其1MB的Flash存儲和192KB的SRAM為系統提供了足夠的存儲和計算能力，確保能夠高效處理來自傳感器的數據；該芯片的豐富外設接口和支持多種通信協議使其能夠穩定連接風速傳感器、溫濕度傳感器和PM2.5傳感器，發揮關鍵的控制和數據處理作用，能夠滿足農田氣候檢測系統設計需求。

1.3 RS485三杯式風速傳感器

為滿足農田氣候監測系統對數據可靠性與系統穩定性的要求，設計選用RS485三杯式風速傳感器進行風速數據的采集。RS485三杯式風速傳感器[6]結合了三杯式原理和RS485數字通信協議，通過旋轉杯子測量風速，并將數據以數字信號輸出，通常工作電壓為12V。由于其采用RS485協議，該傳感器能夠在長距離和復雜環境下提供穩定、抗干擾的通信，確保數據傳輸的可靠性，適合廣闊農田區域多點布設和遠程監控。為了與STM32單片機兼容，本系統采用RS485轉TTL轉換模塊，將風速傳感器輸出的RS485信號轉換為TTL信號，從而實現與微控制器的通信。

1.4 YDTH-06溫濕度變送器

本設計中YDTH-06溫濕度變送器負責實時測量和轉換農田區域的溫度與濕度信號。該傳感器采用先進的傳感技術，支持4～20mA、0～10V等多種信號輸出方式，其工作溫度范圍為-20～60°C，確保設備能夠在嚴苛氣候條件下穩定運行，適合新疆農田的寒冷環境。該型號傳感器穩定性強、抗干擾能力強、安裝和維護簡便，能夠在農田環境中確保數據采集的準確性與可靠性，適用于農業氣候監測、溫濕度控制及自動化監測系統。設計中同樣采用RS485接口，需要通過轉換模塊將其RS485信號轉換為TTL電平，以便與STM32單片機進行數據通信。

1.5 GP2Y1010AU0F PM2.5傳感器

結合設計實際需求，采用Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5 傳感器[7]進行農田區域空氣質量檢測。該傳感器基于光散射原理，能夠準確檢測空氣中的顆粒物濃度，尤其適合戶外環境中的長期監控。其低功耗特性使得系統能夠持續運行，特別適合電池供電的遠程檢測需求。同時，傳感器具有寬廣的工作溫度范圍和良好的抗干擾能力，能夠應對農田復雜的氣候條件。小巧的體積和易于集成的設計也讓其能夠方便地與現有檢測系統對接，降低整體部署成本。該傳感器輸出為模擬電壓信號，在本設計中通過STM32單片機的ADC模塊轉換為數字信號，以便后續處理。

1.6 ESP8266 Wi-Fi模塊

設計選用ESP8266 Wi-Fi模塊[8]實現設備與云平臺之間的數據傳輸，確保傳感器采集到的數據能夠實時或定期上傳到云端，以便進行存儲、分析和遠程監控。ESP8266內置Wi-Fi功能，能夠方便地連接到無線網絡；低功耗特性適合長時間運行；成本低、性價高，適合大規模部署；且開發簡單，支持Arduino IDE等開發環境，便于開發者進行編程，能夠滿足本系統的設計需求。

1.7 機智云平臺

本文選用機智云[9]作為農田氣候檢測系統的云平臺，負責實時接收并存儲來自傳感器的數據，提供集中式的數據管理與存儲功能。該平臺支持Wi-Fi、藍牙、Zigbee等多種通信協議，適合ESP8266等設備集成，具備設備接入、遠程控制和數據分析功能。其開放API和圖形化界面讓開發者能夠輕松連接和管理設備，降低開發難度；同時，機智云支持定制化手機App，提供遠程控制、實時監控和用戶管理等功能，提升用戶體驗。

1.8 系統硬件電路設計

該系統通過多種傳感器與STM32F407VET6單片機進行數據采集和通信。首先，RS485三杯式風速傳感器通過RS485轉TTL模塊與單片機的PB10和PB11引腳連接，實時傳輸風速數據；溫濕度變送器YDTH-06也通過RS485轉TTL模塊與單片機的PC6和PC7引腳連接，提供環境的溫濕度數據；PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F通過PC1引腳與單片機連接，利用ADC轉換讀取空氣中的PM2.5濃度。

此外，ESP8266 Wi-Fi模塊通過PA2和PA3引腳與單片機連接，實現與云平臺的數據通信，使得實時監控數據可以上傳至云端，供遠程查看與分析。最后，PB5和PB6引腳連接了報警設備，如小燈和蜂鳴器，用于當某些環境參數超出設定閾值時發出報警信號。這一系統能夠實現多種環境數據的實時監控，并能夠通過云平臺進行遠程管理和報警提醒，具有較強的智能化和自動化功能。

2 系統軟件設計

2.1 系統總流程

本設計主要使用STM32CubeMX、Keil5軟件進行開發，使用C語言作為編程語言，其系統總流程如下：

1） 系統啟動時，進行硬件設備的初始化，包括傳感器和Wi-Fi模塊的自檢與配置。同時，初始化云平臺連接，確保設備能夠與云平臺正常通信。

2） 風速、溫濕度以及PM2.5傳感器通過串口或模擬輸入接口與單片機連接，根據需求設定采集周期，進行農田氣候數據采集。

3） 單片機對接收到數據進行分析處理，如果溫濕度、風速或PM2.5其中一個值超過設定的閾值，系統會自動觸發報警機制，進行聲光報警，并可通過推送通知等方式提醒用戶，確保及時采取措施。

4） 單片機通過串口與Wi-Fi模塊通信，將采集到的數據上傳至云平臺，進行集中存儲與管理。云平臺可以對歷史數據進行分析，生成趨勢圖表，幫助用戶了解農田的氣候變化。

5） 用戶通過手機App端，可以實時查看農田的氣候數據，還可以遠程控制設備，如修改閾值。

整個系統周期性地采集和上傳環境數據，確保農田環境的實時監控與管理，并通過云平臺提供智能化的農田監控功能。系統總流程如圖2所示。

2.2 數據采集

本設計中風速傳感器和溫濕度傳感器均是通過RS485轉TTL模塊與單片機連接，單片機通過串口通信進行數據采集，并根據Modbus協議解析傳感器數據，故數據采集步驟類似，流程如下：

1） 串口初始化：設置正確的參數，如波特率、數據位、停止位、校驗等；

2） 構建請求幀并發送：構造Modbus請求幀，包括設備地址、功能碼、寄存器地址等，然后將其發送到風速及溫濕度傳感器；

3） 等待并接收響應：等待風速傳感器的響應。如果未接收到數據或者發生錯誤，就需要顯示錯誤信息；

4） 解析響應數據：收到響應后，首先檢查CRC是否通過。如果通過，則提取風速和溫濕度數據；

5） 關閉串口：結束時關閉串口，釋放資源。

風速、溫濕度數據采集流程如圖3所示。

本設計中PM2.5傳感器通過模擬輸出引腳與單片機PC1引腳連接，在單片機程序中，配置PC1引腳為模擬輸入模式，以便讀取來自傳感器的模擬信號。數據采集流程如下：

1） 初始化：初始化相關配置，啟動傳感器，確保其穩定輸出正確的信號；

2） 讀取模擬信號：使用單片機的ADC功能讀取連接在PC1引腳的模擬電壓信號，該電壓值與空氣中的PM2.5濃度成正比；

3） 數據處理：根據讀取的模擬電壓值，使用已知的公式將電壓轉換為PM2.5濃度。通常，傳感器提供的公式為：PM2.5濃度=k*VAO+b，其中，VAO為從PC1引腳讀取的電壓值，k和b為傳感器的校準常數；

4） 輸出結果：將計算得到的 PM2.5 濃度輸出到單片機；

5） 關閉傳感器：如果不再需要數據采集，關閉傳感器，節省功耗。

PM2.5數據采集流程如圖4所示。

2.3 數據上傳

首先，在機智云平臺上創建項目并添加設備，獲取設備的 AppKey 和 AppSecret，然后下載并導入機智云的 Gizwits SDK。接著，搭建開發環境，安裝 Arduino IDE 和 ESP8266 庫，導入機智云 SDK。編寫固件時，初始化 ESP8266 與 Wi-Fi 的連接，并使用 Gizwits SDK 將傳感器數據通過 Gizwits.updateDataPoint（） 上傳到機智云。最后，燒錄代碼到 ESP8266，設備連接到 Wi-Fi 并與機智云平臺進行數據交互，實現數據上傳和遠程管理。

3 系統測試

3.1 系統調試

對系統電路進行全面檢查，確保所有連接正確無誤，檢查各模塊與STM32芯片的連接，確認無短路、接地問題或松動。測試電源電壓和各模塊的工作狀態，確保系統能夠穩定啟動并正常運行。

在系統開發過程中，首先使用 STM32CubeMX 配置目標 MCU 和外設，生成初始化代碼。然后，將工程導入 Keil 開發環境，編寫應用程序代碼并進行編譯與調試。編譯成功后，通過 ST-Link 等工具將程序燒錄至STM32F407VET6單片機。

3.2 實物測試

通過機智云平臺創建設備項目并獲取設備ID、AppID和設備密鑰，下載官方源代碼并導入Android Studio，進行必要定制與修改，實現手機App的配網功能。用戶通過配網將設備與App連接，完成數據傳輸。系統配置完成后，通過測試系統能夠將風速、溫濕度、PM2.5傳感器采集到的環境數據通過機智云平臺發送至手機App并在界面上準確顯示。系統測試結果如圖5所示。

測試中，通過扇風增加風速、人工加熱或制冷改變溫濕度等方式模擬環境變化。風速從0.5 m/s增加至1.5 m/s時，App中數據顯示為1.5 m/s，變化時延不超過5秒；溫濕度從25°C、60%變化到30°C、50%時，App數據顯示為29.8°C和51%，誤差小于0.2°C和2%；PM2.5濃度從15 μg/m3升至30 μg/m3，App實時更新，延遲不超過5秒。測試結果表明，系統能夠快速準確反映環境變化，數據傳輸和顯示延遲極小，實時性良好。

為測試系統的報警功能，將溫度閾值設置為30°C、風速閾值設置為3 m/s、PM2.5閾值設置為50 μg/m3，系統能在超標時自動觸發報警。測試中，溫度從29°C升至31°C、風速從2.8 m/s增至3.2 m/s、PM2.5濃度從45 μg/m3升至55 μg/m3時，App立即顯示報警并推送通知，數據同步更新。報警響應時間均在2秒內，系統反應靈敏且可靠。

4 結束語

本文設計的基于云平臺的農田氣候檢測系統，實現了實時監測農田環境參數，并通過遠程監控和報警功能，為農業生產提供有效的信息支持。未來可以通過增加更多傳感器來擴展監測范圍，涵蓋土壤濕度、光照強度等環境參數，從而實現更加全面的數據采集。同時，引入云平臺的數據分析與機器學習技術，可以提供精準的天氣預測和病蟲害預警，進一步提高農業管理的智能化水平。

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【通聯編輯：梁書】