基于stm32的设施农业环境监测系统的构建

熊 刚， 胡启迪， 薛海斌， 刘元刚

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

随着经济的快速发展和科技的不断进步，对设施农业也提出了越来越高的要求，人们希望通过智能化装置对设施农业进行监测和控制，提高农作物的产量和质量，从而提高经济效益[1-2]。北京农业大学采用分布式控制系统成功研制WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统，中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”实现了计算机分布式控制[3]。王海清等[4]研究的基于云平台的温室大棚监控系统，数据上传至云服务器上，主要解决温室栽培中环境变量不易控制的问题。马福东等[5]基于PC端研究的模块化智能温室系统为实现大棚结构的模块化设计、组装等提供了技术参考。在杨凌地区调研发现，中小型企业、普通农户的设施农业大棚环境监测多数采用简易温湿度计和电子温湿度计，少量使用自动控制系统，智能温室监控系统使用很少；而温湿度计的功能较单一，自动控制系统、智能温室监控系统存在布线复杂、响应不及时、价格昂贵等问题。为此，引入无线通信技术，以单片机stm32为控制核心，设计集温湿度检测、设备自动控制及手机APP智能控制等功能于一体的智能设施农业环境监测系统，旨在提高设施农业环境监测的有效性，为设施农业的持续健康发展提供技术支撑。

1系统的总体结构与运行机制

整个系统包括智能手机、无线路由器、主控端、各数据采集端(节点)和受控单元等(图1)，其中，主控端与各节点之间使用CC2530通过Zigbee协议进行无线连接，以满足组网的快速、便捷、灵活及稳定等要求。节点上的CC2530负责采集传感器数据并控制各类执行机构；主控端上的CC2530则为协调器，负责维护网络，收集各节点采集的信息以及向节点直接发送或者转发由手机APP发出的控制指令。主控端通过WIFI模块与无线路由器建立连接。一方面路由器可以与手机连接进行网内信息交互，另一方面路由器也可以接入外网的云服务器与手机进行信息交互，从而实现远距离的监控。专用的APP可以使手机通过无线路由器连接到云服务器，其中无线路由的优先级较高，允许通过设置强制采用某种方式。当手机与主控端同属一个无线路由器下时，采用网内通信方式，以保证实时性；其他情况下则通过云服务器进行通信，以实现远程监控。

2硬件结构

2.1主控端硬件

主控端硬件电路包括单片机模块、按键模块、液晶显示屏模块、声光报警模块、无线通信模块及WiFi模块等(图2)。STM32F407ZGT6是以ARM Cortex-M4为内核的32位微控制器，拥有210DMIPS，高达1 MB FlashROM，192 kB SRAM，4 kB备用RAM，17个TIM(定时器)，3个12位ADC，2个12位DAC，以及15个通信接口(3个I2C，4个USART/UART，3个SPI，2个I2S，2个CAN及1个SDIO)，多达140个具有中断功能的I/O端口，完全可以满足系统要求[6-9]。

Fig.2 Main control end structure of facility agricultural environment monitoring system

2.2数据采集端硬件

数据采集端负责传感器数据采集，不涉及复杂的运算，需要一定的可移动性，对功耗的要求较高，数据采集端主要选择CC2530F253芯片作为数据采集端的处理核心，包括烟雾传感器模块、温湿度传感器模块、气压传感器模块及光照传感器模块等(图3)。CC2530F253芯片内部集成8051内核，可以对FLASH进行编程，其丰富的外围设备，较大地简化了硬件设备的设计过程，该芯片的发射功率为4.5 dB，具有功耗低、精度高等优点，可以提高系统的控制效率[10-12]。

Fig.3 Data acquisition terminal hardware structure of facility agricultural environment monitoring system

3软件程序设计与实现

3.1主控端程序

主控端作用非常关键，是数据采集端和智能手机端连接的纽带。在没有连接上位机的情况下，可通过触控液晶屏实现各个终端的检测和控制等功能。从图4看出，主控端程序流程包括主程序和中断服务程序。主流程负责完成系统初始化，按键及触摸控制事件处理，协调器信息收集等任务；中断服务程序负责完成检测并读取机械按键及触屏操作，将机械按键及触屏操作对应的事件压入事件队列，更新屏幕显示等任务。结合主控芯片性能，用户体验等因素，中断通过定时器产生，周期设定为20 ms。经测试，该系统屏幕更新为区域更新，每次更新事件控制在5 ms以内。

3.2主控端与智能手机端通信程序

从图5看出主控端与智能手机端之间的通信流程。由主控端通过WIFI完成与智能手机端之间的通信，主控端收集各个节点的环境监测数据后将其上传至智能手机端保存和分析。通信之前，主控端检测上位机是否正在发送通信形式变更信息，如有，则根据该信息对WIFI模块进行配置，同时通知智能手机端中止发送。主控端在发送完本次通信周期的数据后，向智能手机端发送中止通信消息，关闭WIFI通信，进入节点管理流程。

Fig.5 Smart phone communication program flow for facility agricultural environment monitoring system

3.3节点入网程序

主控端每隔一定时间就会检测是否有节点加入，检测的间隔时间由管理的节点总数以及与上位机通信时长共同决定。因此，请求入网的节点必须在主控端检测到其请求信息前不间断地发送请求消息。为方便实现管理过程的有序性，采用主动询问的方式与各节点进行通信，即通过切换地址，逐个地向各个节点收集信息；在程序开始时，节点首先进行初始化，然后发送入网申请信息；收到回复后确认消息，完成入网配置；最后切换工作模式，完成节点入网(图6)。

Fig.6 Node access program flow of facility agricultural environment monitoring system

4系统测试

设施农业环境监测系统各个模块调试完成后装配的样机包括主控端、数据采集端和智能手机端等部分，监测的环境参数主要是温湿度等，应用样机进行精度和误报率等性能测试，以保证系统的性能可满足用户的需求。测量精度主要是测试系统的测量准确性，系统误报率指的是系统预警错误次数占总次数的比例。从表1可知，该设施农业环境监测系统测量数据和现有装置测试的数据存在一定误差，温度的误差为31%～60%，湿度的误差为9%～18%；在环境参数正常条件下系统工作时，数据显示正常、控制信号输出正常、手机APP界面显示正常；在环境参数超限时，系统发出报警信息。该设计系统的误报率最小为5.0%，平均为12.4%；而现有装置误报率最小为31.0%，平均为46.8%，则设计系统误报率平均较现有系统降低34.4%。

表1 设施农业环境监测系统的测试结果

注：误差表示采集端平均值与现有装置测量值的误差。

Note:Error means the error between average value of acquisition terminal and measured value of existing device.

5结语

针对现有设施农业环境监测工具存在功能单一、布线复杂、精度不高、实时监测能力较弱及误报率高等缺点，结合现有传感器技术、自动控制技术、WIFI无线通信技术等研发出基于stm32的设施农业环境监测系统。该系统在设施农业环境监测中可实现数据实时显示、超限报警、远程智能控制等功能。样机测试结果表明，该设施农业环境监测装置测量结果准确、精度高、误报率低，能够满足设施农业环境监测工作，具有一定的应用价值。