基于STM32 的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳茂芳，譚程霈，李偉賓，鄧帶弟，阮芝鶯

（玉林師范學(xué)院，廣西玉林，537000）

0 引言

當(dāng)前農(nóng)業(yè)在將多個(gè)參數(shù)融合在一起方面存在一些挑戰(zhàn)。盡管農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚土壤、氣候、作物生長等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，但是目前還沒有很好地實(shí)現(xiàn)將這些參數(shù)融合在一起進(jìn)行綜合分析和決策的技術(shù)手段。究其原因，一方面農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的收集和管理尚未建立起完善的數(shù)據(jù)平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中涉及的參數(shù)眾多，包括土壤水分、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、作物生長情況等，這些數(shù)據(jù)往往分散在不同的系統(tǒng)和設(shè)備中，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的整合和分析困難。另一方面，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的分析和決策支持技術(shù)還不夠成熟。雖然現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以對單個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析和預(yù)測，但是將多個(gè)參數(shù)融合在一起進(jìn)行綜合分析和決策仍然面臨一定的挑戰(zhàn)。例如，如何確定不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性和權(quán)重，如何建立多參數(shù)的模型和算法等都是需要進(jìn)一步研究和探索的問題。基于以上不足，設(shè)計(jì)基于STM32 的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于STM32 的溫室大棚調(diào)節(jié)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)處理部分，控制執(zhí)行模塊部分，數(shù)據(jù)顯示部分及目標(biāo)設(shè)定與人為調(diào)節(jié)部分組成。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集溫室大棚的農(nóng)作物生長相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。數(shù)據(jù)處理負(fù)責(zé)將采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到是否與系統(tǒng)允許的參數(shù)存在偏差，當(dāng)存在偏差時(shí)。控制執(zhí)行部分負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)相應(yīng)機(jī)器時(shí)使系統(tǒng)的參數(shù)在系統(tǒng)允許的參數(shù)區(qū)間上。數(shù)據(jù)顯示部分負(fù)責(zé)將采集回來的數(shù)據(jù)顯示出來。目標(biāo)設(shè)定與人為調(diào)節(jié)部分是在系統(tǒng)存在偏差或?yàn)橄到y(tǒng)提供數(shù)據(jù)集時(shí)使用，具體流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

■2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要負(fù)責(zé)采集溫室大棚中的氣象信息、土壤信息、農(nóng)作物圖像信息，數(shù)據(jù)采集模塊具體采集的數(shù)據(jù)見圖2。STM32 通過協(xié)議獲取來自不同傳感器檢測到的信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

2.1.1 氣象信息

氣象信息主要由氣象站檢測系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)，用于采集影響農(nóng)作物生長的各類氣象信息，如空氣溫度，空氣濕度，光照強(qiáng)度，風(fēng)速風(fēng)向，大氣壓，降雨量等[1],考慮野外環(huán)境的特點(diǎn)，氣象站監(jiān)測系統(tǒng)采用風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)供電的模式[2]。

2.1.2 土壤信息

土壤信息主要通過土壤檢測模塊來完成，用于采集影響農(nóng)作物生長的各類信息（包括土壤溫度，土壤濕度，土壤水分、鹽度等），由于需要長時(shí)間在土壤中放置土壤檢測模塊，其對于傳感器的耐腐蝕和抗氧化有極高的要求，同時(shí)為了提高土壤檢測模塊數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期對土壤檢測模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，當(dāng)超過一定誤差值后需要進(jìn)行更換。

2.1.3 農(nóng)作物圖像信息

農(nóng)作物圖像信息主要通過OpenMV 攝像頭來實(shí)現(xiàn)，通過攝像頭來獲取該區(qū)域溫室大棚的農(nóng)作物信息，攝像頭里面含有農(nóng)作物生長狀況評分模型，能對農(nóng)作物進(jìn)行分析并將評分結(jié)果通過串口發(fā)送給主控模塊。

■2.2 數(shù)據(jù)傳輸

考慮到數(shù)據(jù)傳輸過程中應(yīng)具有準(zhǔn)確性、高速性、安全性，數(shù)據(jù)傳輸模塊采用GPRS 通信方式的SIM900A 可以很好地滿足要求，主控模塊將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPRS 協(xié)議格式進(jìn)行打包，SIM900A 將數(shù)據(jù)包通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)和 Internet遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心的服務(wù)器進(jìn)行傳輸。在Web 服務(wù)器端設(shè)置接收程序，接收來自GPRS 模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。Web 服務(wù)器連接了SQL 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，SQL 數(shù)據(jù)庫通過TCP/IP協(xié)議接收來自服務(wù)器的數(shù)據(jù)并解析成相應(yīng)格式插入到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的表格中，插入數(shù)據(jù)完成后，關(guān)閉數(shù)據(jù)庫的連接。

當(dāng)用戶在Web 瀏覽器中訪問Web 應(yīng)用時(shí)，瀏覽器會(huì)向Web 服務(wù)器發(fā)送包含需要從數(shù)據(jù)庫中檢索的數(shù)據(jù)的HTTP 請求。Web 服務(wù)器接收到客戶端發(fā)送的請求后，會(huì)根據(jù)請求的URL 和其他參數(shù)來確定要執(zhí)行的操作。如果請求需要從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)，Web 服務(wù)器會(huì)使用數(shù)據(jù)庫連接庫來連接到SQL 服務(wù)器，并執(zhí)行相應(yīng)的SQL 查詢語句。SQL 服務(wù)器接收到查詢請求后，會(huì)執(zhí)行查詢操作，并返回查詢結(jié)果給Web 服務(wù)器。Web 服務(wù)器接收到SQL 服務(wù)器返回的查詢結(jié)果后，對結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換處理。根據(jù)查詢結(jié)果，Web 服務(wù)器生成HTTP 響應(yīng)，包含要向客戶端返回的數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)器將生成的HTTP 響應(yīng)發(fā)送回客戶端，瀏覽器解析響應(yīng)并顯示在用戶界面上。在用戶界面可以看到數(shù)據(jù)處理后顯示出來的表格。

當(dāng)用戶需要修改目標(biāo)值，使溫室大棚系統(tǒng)達(dá)到用戶認(rèn)為的理想狀態(tài)，客戶端會(huì)將用戶修改的目標(biāo)值按照協(xié)議發(fā)送到Web 服務(wù)器中，Web 服務(wù)器會(huì)將數(shù)據(jù)通過SIM900A 下發(fā)到主控模塊，主控模塊收到數(shù)據(jù)后，控制執(zhí)行模塊執(zhí)行。

在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中分別存有數(shù)據(jù)采集模塊采集到溫室大棚的多個(gè)參數(shù)和系統(tǒng)允許的參數(shù)區(qū)間以及用戶認(rèn)為理想的值，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器會(huì)根據(jù)用戶的需要，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過web 服務(wù)器發(fā)送到用戶端顯示出來。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可能會(huì)在傳輸過程中丟包，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在錯(cuò)誤，故在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中設(shè)置了校驗(yàn)碼，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)中校驗(yàn)碼與計(jì)算得到的要處理的數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼不對時(shí)，自動(dòng)丟棄該數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)丟包嚴(yán)重，導(dǎo)致系統(tǒng)久久沒有收到數(shù)據(jù)采集模塊采集回來的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將會(huì)認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸模塊存在損壞，提醒用戶更換。

■2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要在服務(wù)器后端通過機(jī)器學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，第二個(gè)階段為模型訓(xùn)練和調(diào)優(yōu)，第三個(gè)階段為模型部署應(yīng)用和模型改進(jìn)。由于該溫室大棚系統(tǒng)需要分析多項(xiàng)參數(shù)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)得到各個(gè)參數(shù)的最佳值后返回給控制執(zhí)行模塊執(zhí)行，而且多個(gè)參數(shù)之間并不存在很好的線性關(guān)系，故采用支持向量機(jī)和決策樹可以很好地滿足要求，通過大量數(shù)據(jù)分析可以得到，支持向量機(jī)取得的效果較好，故采用支持向量機(jī)（SVM）來對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到溫室大棚調(diào)節(jié)的最佳參數(shù)。

在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理階段，通過數(shù)據(jù)采集模塊借助數(shù)據(jù)傳輸模塊傳入到Web 服務(wù)器中，Web 服務(wù)器后端對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分標(biāo)記然后存入數(shù)據(jù)庫中。在該階段，主要通過人為調(diào)節(jié)溫室大棚的控制執(zhí)行部分，數(shù)據(jù)采集模塊采集來獲取參數(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊中的攝像頭會(huì)對農(nóng)作物生長情況進(jìn)行分析得到該區(qū)域溫室大棚的農(nóng)作物結(jié)果，結(jié)果的分?jǐn)?shù)越高，說明該區(qū)域的溫室大棚和生長狀況良好，此外，在農(nóng)作物成熟后，用戶需要對該區(qū)域的農(nóng)作物進(jìn)行評分，評分越高，用戶越滿意，系統(tǒng)會(huì)將用戶的評分和攝像頭處理得到的農(nóng)作物生長情況按照一定的權(quán)重分別相乘后相加得到最終的結(jié)果并記為農(nóng)作物的品質(zhì)系數(shù)[3]，并將其存入數(shù)據(jù)庫中。

在模型訓(xùn)練和調(diào)優(yōu)階段，服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中獲取溫室大棚生長農(nóng)作物生長的品質(zhì)系數(shù)，通過SVM 模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析訓(xùn)練，得到該溫室大棚的農(nóng)作物生長階段的最佳參數(shù)。在模型部署應(yīng)用和模型改進(jìn)階段，將上述的最佳參數(shù)下放給控制執(zhí)行模塊執(zhí)行，并再次通過攝像頭對該區(qū)域溫室大棚進(jìn)行分析得到品質(zhì)系數(shù)，不斷調(diào)整最佳參數(shù)的值，得到最后品質(zhì)系數(shù)最高的值對應(yīng)的參數(shù)作為最佳參數(shù)。由于在當(dāng)前參數(shù)與最佳參數(shù)差值不大時(shí)，系統(tǒng)還是可以獲得比較滿意的評分結(jié)果，且控制執(zhí)行模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)使參數(shù)在最佳參數(shù)上上下抖動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以設(shè)置了系統(tǒng)允許參數(shù)區(qū)間。

通過機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合當(dāng)?shù)販厥掖笈锃h(huán)境的參數(shù)，可以得到溫室大棚的系統(tǒng)允許參數(shù)區(qū)間，當(dāng)溫室大棚系統(tǒng)參數(shù)偏離系統(tǒng)允許的參數(shù)區(qū)間時(shí)，通過控制執(zhí)行模塊調(diào)節(jié)溫室大棚，使溫室大棚在系統(tǒng)允許的參數(shù)區(qū)間上。

■2.4 控制執(zhí)行

控制執(zhí)行主要對溫室大棚采集回來的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)允許參數(shù)區(qū)間存在偏差時(shí)進(jìn)行處理，使得系統(tǒng)的參數(shù)在系統(tǒng)允許參數(shù)區(qū)間之內(nèi)。具體控制如圖3 所示。

■2.5 數(shù)據(jù)顯示及目標(biāo)設(shè)定與人為調(diào)節(jié)

數(shù)據(jù)顯示部分由觸摸屏部分和無線部分組成，無線部分由手機(jī)端和PC 端組成。用戶可以親自到現(xiàn)場，通過LCD 觸摸屏查看此時(shí)溫室大棚的溫度，濕度等和通過觸摸屏幕設(shè)置目標(biāo)，不僅如此，農(nóng)民還可以通過手機(jī)APP 或PC 端來了解溫室大棚情況并通過手機(jī)APP 或PC 端來設(shè)定目標(biāo)值。

2.5.1 觸摸屏部分

觸摸屏部分使用觸摸屏，通過在觸摸屏上顯示參數(shù)讓農(nóng)民可以了解溫室大棚的情況，此外用戶按下按鍵切換到GUI圖形用戶界面，通過GUI 圖形用戶界面，農(nóng)民點(diǎn)擊屏幕上對應(yīng)的對象，觸摸屏根據(jù)農(nóng)民接觸到的觸摸屏上對應(yīng)電阻值的變化推測出該位置被農(nóng)民觸摸到，該位置對應(yīng)的對象隨之被認(rèn)為是要處理的對象，接著觸摸屏跳轉(zhuǎn)到鍵盤操作界面，農(nóng)民通過點(diǎn)擊鍵盤操作界面上的鍵盤值設(shè)定該對象的目標(biāo)值，然后按下確定鍵，便將該對象的目標(biāo)值設(shè)定完成，然后觸摸屏跳回到參數(shù)顯示界面。主控模塊會(huì)通過控制執(zhí)行模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作，使數(shù)據(jù)到達(dá)用戶設(shè)定的目標(biāo)值，并將用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)通過SIM900A 上傳到Web 服務(wù)器中，Web 服務(wù)器根據(jù)需要進(jìn)行處理和存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

2.5.2 無線部分

無線顯示部分使用無線通信模塊，用戶通過打開手機(jī)對應(yīng)的APP 或PC端了解溫室大棚的情況，手機(jī)APP 或PC 端會(huì)將服務(wù)器傳過來的當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)顯示，用戶可以通過圖表可以清楚地了解到溫室大棚當(dāng)前與之前的狀況，此外，用戶對于當(dāng)前系統(tǒng)的調(diào)節(jié)不滿意，用戶可以通過手機(jī)端或PC 端設(shè)定目標(biāo)值，手機(jī)端或PC 端會(huì)將數(shù)據(jù)封裝成合適的格式通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器上。服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，確認(rèn)沒有問題后，下發(fā)至主控模塊，主控模塊收到數(shù)據(jù)后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3 系統(tǒng)各功能模塊簡介

■3.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F407ZGT6 開發(fā)板，該開發(fā)板是一款基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核的微控制器，其主頻高達(dá)168MHz，且價(jià)格實(shí)惠，運(yùn)算能力強(qiáng)，低功耗，有多個(gè)外設(shè)接口，能極大地保證溫室大棚灌溉系統(tǒng)的工作效率。主控模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 主控模塊原理圖

■3.2 土壤檢測模塊

土壤檢測模塊使用的是來自威廉士的五插針土壤多參數(shù)傳感器。當(dāng)傳感器插入土壤時(shí)，電解液溶液在傳感器和土壤之間獲得平衡。液體中的離子將迅速擴(kuò)散到土壤中，并與水中的離子達(dá)到平衡。通過這種方式，傳感器可以測量出有用的信息，例如土壤水分、鹽度以及溫度等參數(shù)。同時(shí)，傳感器還可以通過計(jì)算這些信息來預(yù)測其他參數(shù)，如根部吸收力和養(yǎng)分含量。該模塊穩(wěn)定靈敏度高，響應(yīng)快，輸出穩(wěn)定，適用于各種土質(zhì)，能很好地勝任土壤檢測。其外形如圖5所示。

圖5 土壤檢測模塊外形圖

■3.3 SIM900A

SIM900A 是一款基于GSM/GPRS 技術(shù)的無線通信模塊，具有全球通信覆蓋，支持全球四頻段（850/900/1800/1900 MHz）的GSM 網(wǎng)絡(luò)，可以在世界范圍內(nèi)進(jìn)行通信；高性能：SIM900A 模塊具有強(qiáng)大的處理能力和高速數(shù)據(jù)傳輸能力，最大下載速率為85.6 kbps，最大上傳速率為42.8 kbps；多種通信接口：支持多種通信接口；低功耗設(shè)計(jì)：采用了低功耗設(shè)計(jì)，工作電流較低，適合應(yīng)用于電池供電的設(shè)備，可以延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間；豐富的功能：SIM900A 支持語音通話、短信發(fā)送與接收、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸、TCP/IP 協(xié)議等功能，可以廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能家居等領(lǐng)域；穩(wěn)定可靠：SIM900A 模塊具有穩(wěn)定可靠的性能，能夠在各種環(huán)境條件下正常工作。其原理圖如圖6 所示。

圖6 SIM900A原理圖

■3.4 OpenMV 攝像頭

OpenMV 攝像頭是一款基于MicroPython 的嵌入式計(jì)算機(jī)視覺模塊，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力：OpenMV 攝像頭搭載了高性能的ARM Cortex-M7 處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)216 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像處理和計(jì)算視覺算法；具有豐富的圖像處理功能：OpenMV 攝像頭內(nèi)置了豐富的圖像處理庫和算法，包括顏色追蹤、形狀檢測、人臉識(shí)別、條碼識(shí)別等，可以滿足各種計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的需求，能很好地對溫室大棚的環(huán)境進(jìn)行拍攝。OpenMV 攝像頭原理圖如圖7 所示。

圖7 OpenMV 原理圖

■3.5 觸摸屏

觸摸屏使用的是ILI9341 液晶顯示屏，它是一款主流的TFT 液晶屏驅(qū)動(dòng)芯片，它具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）高分辨率：ILI9341 支持最高320×240 分辨率，可以滿足大多數(shù)嵌入式設(shè)備的顯示需求。（2）低功耗：ILI9341 采用了先進(jìn)的電源管理技術(shù)，能夠有效降低電源消耗，延長使用時(shí)間。（3）高速傳輸：ILI9341 支持SPI 接口和8 位并口接口兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，在SPI 模式下可達(dá)到最高60fps 的刷新速度。（4）顯示效果好：ILI9341 采用16 位色彩格式，可以呈現(xiàn)出豐富的顏色，并具有較高的對比度和亮度。能很好地顯示數(shù)據(jù)并觸摸屏幕設(shè)置目標(biāo)值。其原理圖如圖8 所示。

圖8 觸摸屏原理圖

4 結(jié)語

針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)在將多個(gè)參數(shù)融合存在的問題，本文提出采用機(jī)器學(xué)習(xí)來解決，借助服務(wù)器強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力，得到系統(tǒng)的允許參數(shù)區(qū)間，此外，使用精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集模塊獲取到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，使得用戶可以遠(yuǎn)程了解溫室大棚的實(shí)時(shí)情況，對于農(nóng)業(yè)智能化有一定的推動(dòng)作用。