基于STM32的智能农业大棚系统设计①

张明月 贺福强 李思佳 何 昊

（贵州大学机械工程学院 贵州贵阳550025）

随着社会的飞速发展，人民生活水平的不断提升，人们对蔬菜质量要求也越来越高。近年来，随着农业生产技术水平的不断提高，大棚得到了广泛的推广应用［1］，农业逐渐步入现代化［2］。传统农业大棚种植基地需要借助人工对农作物环境状况进行定期管理，成本高、管理效率低下。物联网互联网技术的发展使得农业大棚也朝智能化不断改进。以STM32作为主控单位［3］，将传感器、物联网技术以及移动通信与农业种植相结合，在实现对农业大棚环境数据采集以及上传显示的基础上，实现了对农作物环境远程监管控制，大大降低工作负担，实现种植逐渐向工业化、模块化和多样化方向发展。利用物联网自动化系统对农业大棚进行管理已经成为必然趋势。

1 系统概述

前期研究发现，影响农作物生长的主要因素有光照强度、温湿度、二氧化碳浓度、土壤以及施肥情况等。作物的不同生长时期，所需要的条件也不同，因此，设计智能大棚要科学，能实时采集监控大棚内部环境，远程调控大棚内硬件设备，总结温室大棚的功能需求。大棚系统布置的各类传感器采集农作物正常生长的环境参数，由ZigBee［4］组网上传到用户手机Android［5］，专家确定合理生长环境阈值，制定排风机、遮阳网、滴灌阀泵以及水帘泵的智能调控算法。若采集的环境参数超出阈值，通过STM32远程控制相关硬件设备，实现对排风机、遮阳网、滴灌阀泵以及水帘泵等设备的开关操控，平衡棚内作物的生长环境。

系统分为硬件部分和软件部分。本文采用STM32开发板作为硬件部分主控单元，结合相关传感器和硬件设备用于信息采集和相应处理；软件部分包括硬件设备智能调控算法与用户APP端，结合ESP8266无线WIFI模块用于远程控制。系统整体设计流程如图1所示。

图1 系统整体设计流程图

2 系统硬件设计

终端硬件结构支撑农业大棚，是实现智能大棚的基础，软件的正常运行离不开硬件系统的正确搭建。智能温室大棚系统硬件设计负责采集温室农业生产基地温室大棚内环境数据，如光照强度、土壤以及空气温度湿度、二氧化碳浓度等，包括环境感知传感器部分、WIFI模块、ZigBee组网设备、排风机、遮阳网、滴灌阀泵以及水帘泵等设备。系统硬件框架如图2所示。

环境参数传感器部分包括空气传感器、温湿度传感器、光照强度传感器以及二氧化碳浓度传感器系统等，主要用于棚内环境监测。硬件模块设计的目标是实时收集农作物环境参数，实现设备智能控制或通过APP端进行远程控制，以此维持棚内各环境参数的稳定，为农作物生长提供一个正常的环境。

图2 系统硬件设计框架图

2.1 主控模块

STM32F103VET6单片机是集成在芯片上的一个完整计算机系统，使用LQFP技术进行封装，共有100个引脚。工作频率最高可达72 MHz，具有高性能32位RISC内核，有两条APB总线可以连接各种I/O串口和外围设备以及高速嵌入式存储器。满足系统设计所需要的可扩展性、超低功耗、超高性能等特点。

2.2 温湿度检测模块

温湿度是影响作物生长的关键因素，也是系统硬件设备主要检测的环境参数。空气温湿度传感器采用的是Si7021［6］。该传感器采用的是IIC接口，具有较好的稳定性，而且传感器最高支持400KHz的通信速率，传输速度快、延迟低。此外，该传感器可实现精准测控，0～100%RH和-40～125℃的温度完全满足设计要求，150μA低功耗和超小体积使得测量结果更加准确。土壤温湿度采集采用485型土壤温湿度传感器，主要优点是测量精度高，响应快，在各种土质中都可以稳定工作，完全防水。0～100%RH和-40～80℃满足设计要求。

2.3 光照强度检测模块

光照主要通过光合作用影响农作物生长。相关研究表明，只有一定时间的光照才能产生有效的光合作用。光照是绿色农作物生长所必须的条件，因此要对棚内光照强度进行实时监测。采用GY-30光强传感器模块，是基于IIC通信的数字模块，内部以BH1750［7］光强感应芯片为核心，能更好地保持稳定性，同时还节约功耗。

2.4 二氧化碳浓度检测模块

农作物通过光合作用获取能量进行生长发育，而二氧化碳作为光合作用必要条件，其浓度影响农作物是否可以正常生长。选用MH-Z14A二氧化碳气体传感器，具有很好的适用性，硬件寿命长，使用方便，默认二氧化碳量程为0～5 000 ppm，精确度较高（误差在50 ppm内）。

3 系统软件设计

系统软件程序的设计是整个系统的核心，是保证系统稳定运行的关键。智能温室大棚需要根据专家种植经验设定农作物生长环境参数阈值，制定排风机、遮阳网、滴灌阀泵以及水帘泵的智能调控算法。根据各类传感器采集的数据，实现对相关硬件设备开关的控制。通过ZigBee组网与WiFi模块将采集的环境参数上传到用户软件端，方便对大棚的精准监控以及远程控制。系统软件总体设计如图3所示。

图3 系统软件总体设计图

3.1 设备端软件设计

Keil uVision5是Keil Software公司设计的软件开发系统。既能在C语言环境上进行开发研究，也能够完成仿真调试、宏管理功能模块，为单片机系统提供运行基础。STM32F103VET6程序均基于该软件完成。将各类传感器编译好的子函数模块进行封装，编写主函数，实现模块化处理。

智能大棚系统利用ZigBee组网和ESP 8266［8］WiFi模块建立通信网络，将棚内各类传感器模块不同类型的传感器节点添加到网络系统中，建立整个系统的无线通信传输模式。将各类传感器模块、相关件设备连接到STM32模块，命令信号通过单片机的串口控制传感器实时采集数据，控制相关硬件设备进行工作。

3.2 手机端软件设计

手机端软件为工作人员提供一个简单易上手的大棚监控管理系统，能够实现对棚内环境参数的实时监控以及对相关制动设备的远程调控。软件功能模块包括：用户管理模块，包括管理人员的系统登录、用户信息查询、修改操作。信息显示模块，实时显示各类传感器采集的棚内环境参数（如土壤、空气温湿度等）。设备控制模块，管理人员可通过该模块对排风机、遮阳网等相关的硬件设备进行远程控制。手机端APP软件功能模块如图4所示。

图4 手机端软件功能模块图

4 系统测试

4.1 硬件功能测试

农业大棚系统使用STM32作为核心控制元件，将系统所需的各类传感器按照系统硬件设计电路逻辑图进行连接，利用Keil uVision5［8］开发平台进行编译调试，以保证实现所需功能。根据设计好的电路逻辑图，将智能大棚所需要的传感器元件连接起来，检测元件规格是否正确，检查端口是否出现故障，保证系统的正常运行。本系统设计设置的温度、湿度范围为一般农作物常用值，不同农作物生长环境不同。预设值可以根据实际情况进行调整［9］。

为保证采集数据的准确性，需要对传感器进行精准测试，将传感器安装在实验室的不同位置，以保证整个系统数据采集的完整性。利用加热、加湿装置进行环境变换，将传感器采集到的数据与温度仪表采集的数据进行对比分析。对比结果如表1所示。

根据表1可以看出，本系统的温度传感器与工业仪表测量的温度误差范围在0.2℃以内，湿度误差范围为0.5%～1.2%。误差都在正常合理范围，可知传感器采集的数据可靠。

表1 数据对比表

4.2 手机端测试

完成调试后，利用Android Studio［10］编译设计APP安装到手机端，打开软件，发送指令，根据手机端发出的指令类型，观察系统核心元件驱动相应的外部设备是否按照指令运作。同时，检测有无获取温度、湿度等命令，观察APP端是否收到相应的反馈信息，如温湿度等。如果指令未响应或返回信息失败，则检查硬件电路连接，修改相应代码，按相关指令进行操作与返回结果。

4.2.1 用户管理模块测试

系统的用户管理模块［11］设计是为了防止非管理人员操作系统，影响作物正常生长，保障智能大棚系统安全。当管理人员将用户名和密码输入到系统登录页面后，点击登录就拥有权限进入系统主界面，查看棚内环境参数，对系统进行远程控制操作。用户登录界面如图5所示。

图5 用户登录界面图

4.2.2 信息显示模块测试

信息显示模块界面的设计是用于显示各类传感器实时收集到的棚内农作物环境数据。棚内环境数据采集具有周期性，实现智能化采集环境参数数据，并将实时采集到的数据通过ZigBee组网和WiFi模块上传到控制软件开发平台，在界面上进行显示。信息显示模块如图6所示。空气温湿度显示入图7所示。

图6 信息显示界面图

图7 空气温湿度显示界面图

4.2.3 远程控制模块测试

智能大棚系统的控制可分为自动控制和手动控制两种。若开启自动控制状态，系统会根据设置的环境参数阈值有选择性地对相关硬件设备（如排风机、遮阳网、滴灌阀泵等）进行开关操作。若选择手动控制状态，则通过控制手机APP端设计的按钮对各设备的运行状态进行远程控制。则控制模块界面如图8所示。

由测试结果可得，物联网温室大棚可以较精确地采集农作物环境数据，并实时发送到手机端便于管理人员进行监控，稳定性与实时性良好，并且根据光照强度，温湿度状况选择是否运行环境控制设备，从而达到温室大棚环境的自动调整。

图8 远程控制界面图

农业温室数据采集技术是发展现代化农业信息技术的重要环节［12］，经实地调查和仔细研究，设计基于单片机技术的智能大棚监控系统，能够实时采集农作物环境信息，并监控相应设备调节大棚内环境，促进农作物健康成长。通过系统测试，证明该系统性能稳定、使用方便智能，有效节省了人力物力。