基于stm32的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

熊 剛， 胡啟迪， 薛海斌， 劉元?jiǎng)?/p>

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)也提出了越來(lái)越高的要求，人們希望通過(guò)智能化裝置對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)采用分布式控制系統(tǒng)成功研制WJG-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)研制的“山東省濟(jì)寧大型育苗溫室計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)分布式控制[3]。王海清等[4]研究的基于云平臺(tái)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器上，主要解決溫室栽培中環(huán)境變量不易控制的問(wèn)題。馬福東等[5]基于PC端研究的模塊化智能溫室系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大棚結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)、組裝等提供了技術(shù)參考。在楊凌地區(qū)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中小型企業(yè)、普通農(nóng)戶的設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)多數(shù)采用簡(jiǎn)易溫濕度計(jì)和電子溫濕度計(jì)，少量使用自動(dòng)控制系統(tǒng)，智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)使用很少；而溫濕度計(jì)的功能較單一，自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、響應(yīng)不及時(shí)、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。為此，引入無(wú)線通信技術(shù)，以單片機(jī)stm32為控制核心，設(shè)計(jì)集溫濕度檢測(cè)、設(shè)備自動(dòng)控制及手機(jī)APP智能控制等功能于一體的智能設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在提高設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的有效性，為設(shè)施農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制

整個(gè)系統(tǒng)包括智能手機(jī)、無(wú)線路由器、主控端、各數(shù)據(jù)采集端(節(jié)點(diǎn))和受控單元等(圖1)，其中，主控端與各節(jié)點(diǎn)之間使用CC2530通過(guò)Zigbee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線連接，以滿足組網(wǎng)的快速、便捷、靈活及穩(wěn)定等要求。節(jié)點(diǎn)上的CC2530負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)并控制各類(lèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；主控端上的CC2530則為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，收集各節(jié)點(diǎn)采集的信息以及向節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送或者轉(zhuǎn)發(fā)由手機(jī)APP發(fā)出的控制指令。主控端通過(guò)WIFI模塊與無(wú)線路由器建立連接。一方面路由器可以與手機(jī)連接進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)信息交互，另一方面路由器也可以接入外網(wǎng)的云服務(wù)器與手機(jī)進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控。專(zhuān)用的APP可以使手機(jī)通過(guò)無(wú)線路由器連接到云服務(wù)器，其中無(wú)線路由的優(yōu)先級(jí)較高，允許通過(guò)設(shè)置強(qiáng)制采用某種方式。當(dāng)手機(jī)與主控端同屬一個(gè)無(wú)線路由器下時(shí)，采用網(wǎng)內(nèi)通信方式，以保證實(shí)時(shí)性；其他情況下則通過(guò)云服務(wù)器進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2硬件結(jié)構(gòu)

2.1主控端硬件

主控端硬件電路包括單片機(jī)模塊、按鍵模塊、液晶顯示屏模塊、聲光報(bào)警模塊、無(wú)線通信模塊及WiFi模塊等(圖2)。STM32F407ZGT6是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位微控制器，擁有210DMIPS，高達(dá)1 MB FlashROM，192 kB SRAM，4 kB備用RAM，17個(gè)TIM(定時(shí)器)，3個(gè)12位ADC，2個(gè)12位DAC，以及15個(gè)通信接口(3個(gè)I2C，4個(gè)USART/UART，3個(gè)SPI，2個(gè)I2S，2個(gè)CAN及1個(gè)SDIO)，多達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口，完全可以滿足系統(tǒng)要求[6-9]。

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

2.2數(shù)據(jù)采集端硬件

數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集，不涉及復(fù)雜的運(yùn)算，需要一定的可移動(dòng)性，對(duì)功耗的要求較高，數(shù)據(jù)采集端主要選擇CC2530F253芯片作為數(shù)據(jù)采集端的處理核心，包括煙霧傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、氣壓傳感器模塊及光照傳感器模塊等(圖3)。CC2530F253芯片內(nèi)部集成8051內(nèi)核，可以對(duì)FLASH進(jìn)行編程，其豐富的外圍設(shè)備，較大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程，該芯片的發(fā)射功率為4.5 dB，具有功耗低、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的控制效率[10-12]。

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

3軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1主控端程序

主控端作用非常關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)采集端和智能手機(jī)端連接的紐帶。在沒(méi)有連接上位機(jī)的情況下，可通過(guò)觸控液晶屏實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端的檢測(cè)和控制等功能。從圖4看出，主控端程序流程包括主程序和中斷服務(wù)程序。主流程負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)初始化，按鍵及觸摸控制事件處理，協(xié)調(diào)器信息收集等任務(wù)；中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)完成檢測(cè)并讀取機(jī)械按鍵及觸屏操作，將機(jī)械按鍵及觸屏操作對(duì)應(yīng)的事件壓入事件隊(duì)列，更新屏幕顯示等任務(wù)。結(jié)合主控芯片性能，用戶體驗(yàn)等因素，中斷通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生，周期設(shè)定為20 ms。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)屏幕更新為區(qū)域更新，每次更新事件控制在5 ms以內(nèi)。

3.2主控端與智能手機(jī)端通信程序

從圖5看出主控端與智能手機(jī)端之間的通信流程。由主控端通過(guò)WIFI完成與智能手機(jī)端之間的通信，主控端收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后將其上傳至智能手機(jī)端保存和分析。通信之前，主控端檢測(cè)上位機(jī)是否正在發(fā)送通信形式變更信息，如有，則根據(jù)該信息對(duì)WIFI模塊進(jìn)行配置，同時(shí)通知智能手機(jī)端中止發(fā)送。主控端在發(fā)送完本次通信周期的數(shù)據(jù)后，向智能手機(jī)端發(fā)送中止通信消息，關(guān)閉WIFI通信，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)管理流程。

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

3.3節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)程序

主控端每隔一定時(shí)間就會(huì)檢測(cè)是否有節(jié)點(diǎn)加入，檢測(cè)的間隔時(shí)間由管理的節(jié)點(diǎn)總數(shù)以及與上位機(jī)通信時(shí)長(zhǎng)共同決定。因此，請(qǐng)求入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)必須在主控端檢測(cè)到其請(qǐng)求信息前不間斷地發(fā)送請(qǐng)求消息。為方便實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程的有序性，采用主動(dòng)詢問(wèn)的方式與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，即通過(guò)切換地址，逐個(gè)地向各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集信息；在程序開(kāi)始時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行初始化，然后發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)信息；收到回復(fù)后確認(rèn)消息，完成入網(wǎng)配置；最后切換工作模式，完成節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)(圖6)。

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

4系統(tǒng)測(cè)試

設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各個(gè)模塊調(diào)試完成后裝配的樣機(jī)包括主控端、數(shù)據(jù)采集端和智能手機(jī)端等部分，監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)主要是溫濕度等，應(yīng)用樣機(jī)進(jìn)行精度和誤報(bào)率等性能測(cè)試，以保證系統(tǒng)的性能可滿足用戶的需求。測(cè)量精度主要是測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性，系統(tǒng)誤報(bào)率指的是系統(tǒng)預(yù)警錯(cuò)誤次數(shù)占總次數(shù)的比例。從表1可知，該設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)有裝置測(cè)試的數(shù)據(jù)存在一定誤差，溫度的誤差為31%～60%，濕度的誤差為9%～18%；在環(huán)境參數(shù)正常條件下系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)顯示正常、控制信號(hào)輸出正常、手機(jī)APP界面顯示正常；在環(huán)境參數(shù)超限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的誤報(bào)率最小為5.0%，平均為12.4%；而現(xiàn)有裝置誤報(bào)率最小為31.0%，平均為46.8%，則設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤報(bào)率平均較現(xiàn)有系統(tǒng)降低34.4%。

表1 設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

注：誤差表示采集端平均值與現(xiàn)有裝置測(cè)量值的誤差。

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

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工具存在功能單一、布線復(fù)雜、精度不高、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力較弱及誤報(bào)率高等缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、WIFI無(wú)線通信技術(shù)等研發(fā)出基于stm32的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、超限報(bào)警、遠(yuǎn)程智能控制等功能。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、誤報(bào)率低，能夠滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。