基于STM32的智慧农业监测系统设计与实现.pdf
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1、18ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$电子产品世界Design设计应用&Application嵌入式设计基于STM32的智慧农业监测系统设计与实现Design and implementation of intelligent agricultural monitoring system based on STM32王 丹,姚竟发,崔秀艳,范月坤(河北软件职业技术学院,河北保定071000)摘 要:农作物的生长状况与其周边环境是息息相关的,对农田环境、作物生长状态、气象数据等进行实时监测和分析,及时调整有关环境参数,为农业生产提供科学化、精
2、准化的管理手段,有力促进农作物增产增收。本文设计一种基于STM32的农业环境监测系统,结合嵌入式技术、物联网技术、人工智能技术、大数据技术,实现采集、传输、存储、查询并分析农作物的环境信息,智能控制农业外设,以科学手段指导农业生产。关键词:STM32;远程监测;智慧农业基金项目:2023年度保定市哲学社会科学规划课题-设施农业智能监测系统设计与研究(2023068)0 引言我国是农业大国,目前在我国传统农业生产方式依然普遍存在,缺乏高效的农业监测手段,对于农作物的生长环境不能准确及时掌握,同时无法为农作物提供最佳生长环境。种植方式过度依赖经验,比如过度使用化学肥料,除造成农作物产量偏低外,还会
3、使生态环境受到破坏。与此同时,我国人口老龄化严重,农业种植劳动力大大减少,如何对土地资源进行高效利用、投入较少人力物力、降低农作物种植成本,同时实现质量优、产量高的可持续发展种植策略是目前农业种植中面临的巨大挑战。针对以上问题,本文主要设计一种基于 STM32 的智慧农业监测系统,系统由数据采集模块、通信模块、用户终端、外设 4 个部分组成。通过空气温湿度、光照强度、土壤温湿度及氮磷钾含量、土壤 PH 值传感器采集数据,并通过 ZigBee 协议传输数据,用户可通过手机 APP 或者 PC 端直观查看环境的变化同时进行相应的外设调控。1 系统主要功能智慧农业监测系统主要功能如图 1 所示,包括
4、各类传感器、显示屏、控制器及系统软件等组成部分。系统综合利用嵌入式、物联网、人工智能、大数据等技术,通过显示屏显示基础环境数据,用户可通过手机 APP或 PC 端,实时观测农作物生长环境信息,并根据系统提供的最优生产环境,远程控制农业外设,持续为农作物生产提供最优生长条件,实现农业种植智能化管理,农作物高产、优质、高效、生态、安全产出。图1系统功能图2 开发环境本系统开发环境硬件包括 STM32F407,CC2530,Fibocom L610,BH1750 光照强度传感器,DHT11 温湿度传感器,土壤 pH 传感器,土壤温湿度氮磷钾传感器。RT-Thread 版本:RT-Thread Nan
5、o 3.1.3。开发工具及 2023.8电子产品世界设计应用Design&Application嵌入式设计版本:MDK 5.27STM32CubeMx RT-Thread 使用情况概述:内核部分包括调度器、信号量、线程。调度器:创建多个线程来实现不同的工作。线程:uart2_rx_thread_entry和led_thread_entry uart2_ rx_thread_entry 线程接收到串口 2 中断回调函数释放的信号量后,对数据进行整理并上传至阿里云;led_thread_entry 线程使 LED 间隔 1 秒闪烁,提示系统正在运行。3 硬件系统设计智慧农业环境监测系统硬件部分由终
6、端节点、路由器节点、协调器节点、STM32F407 通讯网关、云服务器五部分组成。终端节点以 CC2530 为核心通过传感器采集空气温湿度、光照强度、土壤温湿度、土壤氮磷钾含量以及土壤 pH 值数据信息并通过 ZigBee 协议传输数据到路由器,再经路由器转发至协调器2,协调器接收到数据后通过串口把数据转发给STM32F407通讯网关,STM32F407 通讯网关完成数据汇总,解析,打包,在LCD 上显示采集到数据,并通过 GPRS 上传数据至阿里云 IOT 平台,阿里云 IOT 平台将数据包通过 AMQP服务端订阅转发到智慧农业系统,形成“采集显示控制”于一体的闭环控制模式2。3.1 数据采
7、集模块数据采集主要包括传感器和电源模块。系统电源模块组成为锂电池组结合太阳能版,可以最大限度节约能源3。太阳能版可以为设备持续供电,供电支撑不足的情况,可通过对锂电池充电,确保整个系统稳定运行。对农作物种植环境的监测和数据采集主要通过各类传感器实现,采集不同农作物种植环境数据,对农作物生长环境实现实时监测3。本系统主要采集的环境数据包括空气温度、空气湿度、土壤氮磷钾、光照度、土壤湿度、土壤温度、土壤 PH 值等。以下为本系统包含的传感器类型10。3.1.1 空气温湿度传感器 空气温湿度传感器使用 DHT11 型号,他的工作原理是把空气中的温湿度通过一定监测装置,测量到温湿度以后,按一定的规律变
8、换成电信号或其他所需形式的信息输出。温湿度传感器的测量必须在允许频率范围内同时保持测量条件不失真,被测量的频率范围会受频率响应特性影响,传感器响应时间会有一定延迟,其频率响应越高,实际可测量的信号频率范围也就越宽。在系统的动态测量中,依据(稳态、瞬态、随机等)响应特性,避免产生误差。3.1.2 光照传感器光照传感器使用 BH1750 型号,内部结构包括运算放大器、光敏二极管、晶振、ADC 采集等部分。电路工作原理:如图 2 所示,光信号输入以后,经过 PD 二极管产生光生伏特效应,最后转换成电信号,再经过运算放大电路进行放大,产生的电压被 ADC 模块采集,再经过逻辑电路转成可直接在内部寄存机
9、存储的十六位二进制3。电压和光强度是一一对应的关系,也就是说当进入光窗光强度越大时,光电流和电压也会越大,他们不成完全正比关系,但是我们可以通过电压的大小计算光照大小3。BH1750 引出时钟、数据线,STM32 与传感器通讯主要通过 I2C 协议,从 BH1750 寄存器中读取光照度数据3。图2 BH1750电路工作原理3.1.3 土壤温湿度及氮磷钾传感器土壤湿度传感器采用型号 MC-4IN1,该类型的传感器既可以监测土壤温湿度,也可以监测土壤中的电导率、盐分、氮、磷、钾等数据。工作原理是利用热敏及湿敏电阻来测量土壤温湿度6。进行温度测量时,热敏电阻值随土壤温度变化,通过测量电阻值进而测量土
10、壤温度。湿度测量时,湿敏电阻值随土壤湿度变化,通过测量电阻值进而测量土壤湿度。由于其工作原理是基于电阻值变化,因此需使用专门电路处理,包括放大器、20ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.8$电子产品世界Design设计应用&Application嵌入式设计滤波器、数字转换器等,将采集到的土壤温湿度以数字量形式输出到单片机系统,经 AD 转换进行显示,电路图如图 3 所示6。监测氮磷钾的工作原理是将测量的电导率值乘以相应系数得出氮、磷、钾含量值,传感器为探针式,使用方便,且防水、防腐蚀性能好,探针可长时间埋入土壤进行数据观测6。通过检监测壤中氮磷钾
11、的含量来判断土壤肥沃程度,方便对土壤养分情况进行评估,电源接口为宽电压,电源输 1224 V 均可。图3 MC-4IN1电路图3.1.4 土壤pH值传感器 土壤 pH 传感器采用型号 OSA-60,它的工作原理是,硬件系统的核心是金属传感器,传感器的电极直接接触被测土壤,通过氧化还原化学反应产生电流,对电流值进行分析分段,驱动电流表显示对应 pH 值数据。通过主机转换,以数值的形式进行结果显示。土壤 pH传感器的测量区域一般为:以两探针中央为中心,直径为 125 px,与探针等高的圆柱体内。测量范围一般为:pH=38。常用测试方法有 2 种,一是速测法,选定需要测量的地块,挖开到需测量的深度,
12、避开坚硬物体,将钢针直插入土壤中,在被测土地的不同位置进行多次测量取平均值。二是埋地测量法,挖 1 个直径 20 cm的深坑,将钢针水平插入坑壁,填埋稳定一段时间后,即可对土壤 pH 值进行长时间的测量。3.2 ZigBee无线通信模块数据采集完成以后,通过 ZigBee 协议进行数据传输。ZigBee 基于 IEEE802.15.4 进行通信,是一种无线网络通信协议,适和应用到距离短、速率低、功耗低的场所,工作频段可分为:868 MHz、915 MHz、2.4 GHz,网络传输举例最短 10 m 最长 100 m,最高数据速率为250 kbit/s1。ZigBee 网络的 3 类硬件支撑包括
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