基于STM32的智慧農業(yè)系統(tǒng)設計

唐紅霞，李懷亮

（綏化學院電氣工程學院，黑龍江綏化，152000）

0 引言

近年來，越來越多的智能化系統(tǒng)應用于日常生活。農業(yè)智能化就是新興的產業(yè)，如何有效提高農作物的培育效率，高效利用作物的生長期，溫室環(huán)境檢測與調節(jié)成為最關鍵的一環(huán)。市面上目前出現了許多可以幫助提升植物培育效率的智能機器，但大多沒有將環(huán)境監(jiān)測、自動處理、及時報警和遠程控制等諸多關鍵性要素完美的結合到一起，只能實現簡單的功能，因此設計一款將單片機技術、傳感器技術和遠程控制技術相結合的智能化農業(yè)系統(tǒng)尤為重要，該系統(tǒng)可以實現農作物生長環(huán)境參數采集及實時顯示，能夠及時報警并進行自動處理相結合，還可以進行工作人員信息安全管理和遠程調節(jié)，在很大程度上解放了人工，實現了數據監(jiān)測，提高生產效率。

1 系統(tǒng)方案設計

本系統(tǒng)采用嵌入式芯片STM32F103ZET6 為核心，系統(tǒng)整體框架結構如圖1 所示。主要包括信息安全系統(tǒng)，環(huán)境檢測與調節(jié)系統(tǒng)，報警系統(tǒng)、Wifi 遠程控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)。圖中指紋識別模塊和GSM 模塊構成信息安全系統(tǒng)；溫濕度和光照采集模塊，調節(jié)裝置（排風、加熱電阻、水泵）構成環(huán)境檢測與調節(jié)系統(tǒng)；ISD1760 語音模塊和GSM 模塊構成報警系統(tǒng)；Wifi 和上位機構成遠程控制系統(tǒng)。各模塊與嵌入式芯片通過程序編寫來實現通信，遠程控制通過無線傳感網絡采用效率更高的ZigBee 拓撲網絡進行通信，協(xié)作完成智慧農業(yè)系統(tǒng)的所用功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架結構圖

2 硬件電路設計

2.1 信息安全系統(tǒng)

本部分由R305 指紋識別模塊和GSM 模塊構成，工作人員通過指紋識別系統(tǒng)實現員工考勤，管理員可以預先錄入所有工作人員的信息并進行存儲，同時如要啟動智能農業(yè)系統(tǒng)或進入數據中心也需要指紋驗證，如果指紋匹配多次出錯GSM 將會報告給管理員，并判別是否為意外操作以便及時采取措施。

2.2 大棚內環(huán)境檢測與調節(jié)系統(tǒng)

本部分由DHT11 模塊、GY-30 模塊，調節(jié)裝置（排風、加熱電阻、水泵等）組成。檢測的土壤溫濕度值和環(huán)境光照強度數值被傳送到控制器進行處理，可根據農作物種類的不同，設定生長環(huán)境的溫濕度和光照閾值，當采集的數值不在預先設定的范圍內，調節(jié)裝置根據不同的超限情況進行相應的處理，如通過排風裝置進行降溫，通過加熱電阻提高環(huán)境溫度，借助水泵實現土壤灌溉，直至溫濕度重新回到設定范圍之內，調節(jié)裝置關閉，當大棚內的系統(tǒng)指標超限時可通過語音播報或者GSM 短信通知完成提醒功能。

2.3 報警系統(tǒng)

本部分由ISD1760 語音播報模塊和GSM 模塊組成。ISD1760 語音播報模塊集成度高，具有高性能的錄放功能，可實現多段錄音，其采樣率在一定范圍內可以調節(jié)，芯片自帶數據存儲功能，能實現較好的音質和斷電存儲。當采集的溫濕度和光照強度數值不在預先設定的范圍內語音報警裝置啟動，提醒工作人員，同時GSM 模塊給預先設置電話號碼發(fā)送通知短信。設計中GSM 網絡使用的是GA6 通信模塊，該模塊即支持短信操作，也支持電話功能、彩信功能，它支持四個通信頻段，工作性能穩(wěn)定，信號質量好，性價比高，通過串口和單片機的串口連接。使用中通過控制器發(fā)送特定的AT 指令控制GA6 進行短信發(fā)送和接收，方便便捷。GA6 模塊模塊使用5V 供電，模塊支持移動、聯(lián)通等多種通信制式，上電后實現SIM 卡自動注冊。

2.4 攝像頭

設計中使用了兩個攝像頭多方位監(jiān)測大棚內的情況，通過其捕捉棚內畫面，同時通過無線傳感網絡將畫面經過處理后顯示在遠端上位機的屏幕上，從而實現圖像的采集。

2.5 節(jié)能電源系統(tǒng)

設計中電源系統(tǒng)采用12V 鉛酸蓄電池、太陽能電池板和太陽能控制器組成，太陽能電池板作位輔助電源對蓄電池充電，整個電源系統(tǒng)為各個硬件電路提供動力來源，因使用了太陽能可再生能源，所以系統(tǒng)能耗較低。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)的軟件功能流程

系統(tǒng)的軟件設計使用內置的C/C++編譯器進行編譯，將代碼燒寫至單片機內運行程序。系統(tǒng)通過外圍傳感器完成數據的實時采集，通過程序編寫完成模塊驅動設計，不同功能進程間進行通信，上位機接收實時反饋的信息，及時給工作人員反饋信息和語音提示。如大棚內參數不適合，通過Wifi遠程控制實現調節(jié)。系統(tǒng)的軟件功能流程如圖2 所示。系統(tǒng)啟動后首先進行程序的初始化，加載各種傳感器和硬件設備，開啟Web 服務器和應用程序，判定系統(tǒng)初始化是否完成，如果完成則顯示啟動成功，開始調用溫濕度函數和光強檢測函數，信息安全系統(tǒng)開啟指紋讀取程序，否則重新加載；所用硬件和程序啟動后，還需判斷是否有Web 服務器請求或者遠程訪問請求，如果存在請求，則此時遠端的上位機頁面可以顯示實時信息，并可以通過頁面設置完成遠程的智能化操控。

3.2 硬件與網頁交互的實現

系統(tǒng)軟件在Linux 系統(tǒng)下完成，通過shell 命令完成web 前端設計及后端搭建；搭建過程主要使用Python語言和Django 框架；在頁面設計上使用Python 結合了Html、CSS 等語言實現數據庫與網頁間的動態(tài)連接；系統(tǒng)的登錄帳號密碼以及查詢歷史記錄會保存在sqlite 數據庫中。在終端登錄客戶端，將想要完成的動作傳遞給服務器，服務器端根據接收到的信息完成指定動作，如工作人員可以通過賬號密碼登錄網頁，實時查看系統(tǒng)數據，還可以發(fā)出調節(jié)動作指令，完成遠程控制。Django 框架的運行過程如圖3 所示，管理員在瀏覽器中訪問URL 后判斷協(xié)議類型，根據http 請求獲得轉換后的IP 地址，經過網絡傳輸到達Web服務器，之后會調用程序，最后通過Web發(fā)送到瀏覽器。

圖2 系統(tǒng)軟件工作流程圖

圖3 Django 框架的運行過程

3.3 Wifi 的遠程控制

本系統(tǒng)使用Wifi 作為橋梁，無線傳感網絡采用效率更高的ZigBee 拓撲網絡進行通信，實現上位機對大棚內環(huán)境調節(jié)裝置的遠程操控，提升農業(yè)系統(tǒng)的智能化和工作效率。設計中采用計算機作為上位機，管理員登陸客戶端，網頁頁面顯示大棚內圖像信息和（溫度，濕度，光強等）各種信號變化的實時數據，管理員可以根據實際需求通過計算機直接發(fā)出調節(jié)指令，控制下位機單片機完成對應的控制動作，調整大棚內環(huán)境的指數，達到遠程操控的目的，讓智慧農業(yè)更加智能化、人性化。

在使用Wifi 的遠程控制中，主要分為以下幾個步驟：首先進行無線路由器設置，登陸管理界面，找到虛擬服務器；然后打開CMD 命令提示行，輸入目標客戶端的IP 地址，并對上位機的進行配置，本設計中主要包括Wifi參數設置、指令設置、自定義動作設置、傳感器設置等，這樣就可以通過上位機實現對大棚內裝置的控制，并能接收回傳的視頻。這里Wifi的遠程控制需要開兩個端口，一個為視頻端口，另一個為控制端口，通過添加端口轉發(fā)規(guī)則，確定轉發(fā)的目標客戶端的IP。無線路由器，連通了外網和大棚內的路由，使得可以在外網通過計算機控制大棚內的調節(jié)裝置，實現Wifi 的遠程控制。

4 特色與創(chuàng)新

（1）本系統(tǒng)結合指紋識別技術提高了系統(tǒng)信息安全性，且人性化易于操作，工作人員通過指紋識別系統(tǒng)實現員工考勤，管理員可通過預先錄入指定的用戶的指紋作為開啟智慧農業(yè)系統(tǒng)的登錄口令，而未錄入指紋其他人則不能進入系統(tǒng)。同時如要啟動智能農業(yè)系統(tǒng)或進入數據中心也需要指紋驗證，如果指紋匹配多次出錯GSM 將會報告給管理員，并判別是否為意外操作以便及時采取措施。

（2）語音播報報警和GSM 短信通知報警并用，當大棚內環(huán)境參數與設定的參數閾值不在同一范圍內時，大棚內的智慧系統(tǒng)會發(fā)出語音播報提醒現場的工作人員開啟調節(jié)裝置，同時通過GSM 短信通知管理員進行備案記錄，為農作物的生長提供智能化保障。

（3）通過Wifi 的遠程控制，使上位機計算機與下位機單片機相互聯(lián)系，上位機的使用可以通過下位機反饋的實時數據來及時的提醒工作人員和管理員，使工作人員及時發(fā)現周圍環(huán)境的變化，做出相應的措施。上位機人性化的界面，能給用戶提供方便而且舒心體驗。

5 結論

本設計對智慧農業(yè)系統(tǒng)應具備的功能進行了研究，該嵌入式系統(tǒng)使用STM32 芯片，借助各種傳感器對農業(yè)大棚內的環(huán)境進行數據采集，通過與系統(tǒng)預設的閾值比較，完成自動調節(jié)和遠程控制調節(jié)功能，同時可以進行語音報警提示和GSM 信息報警。遠程控制主要在上位機中進行網頁設計，通過Wifi 將上位機和下位機連通，完成信息交互，大棚內的實時監(jiān)測數據和視頻畫面可以顯示在網頁終端，三維視覺感逼真。整個系統(tǒng)對軟硬件的控制性相對傳統(tǒng)操作實效性更高、動作精確、執(zhí)行更高效，未來隨著人工智能的發(fā)展，智慧農業(yè)會更好的推廣價值。