基于STM32的智慧农业系统设计

唐红霞，李怀亮

（绥化学院电气工程学院，黑龙江绥化，152000）

0 引言

近年来，越来越多的智能化系统应用于日常生活。农业智能化就是新兴的产业，如何有效提高农作物的培育效率，高效利用作物的生长期，温室环境检测与调节成为最关键的一环。市面上目前出现了许多可以帮助提升植物培育效率的智能机器，但大多没有将环境监测、自动处理、及时报警和远程控制等诸多关键性要素完美的结合到一起，只能实现简单的功能，因此设计一款将单片机技术、传感器技术和远程控制技术相结合的智能化农业系统尤为重要，该系统可以实现农作物生长环境参数采集及实时显示，能够及时报警并进行自动处理相结合，还可以进行工作人员信息安全管理和远程调节，在很大程度上解放了人工，实现了数据监测，提高生产效率。

1 系统方案设计

本系统采用嵌入式芯片STM32F103ZET6 为核心，系统整体框架结构如图1 所示。主要包括信息安全系统，环境检测与调节系统，报警系统、Wifi 远程控制系统和电源系统。图中指纹识别模块和GSM 模块构成信息安全系统；温湿度和光照采集模块，调节装置（排风、加热电阻、水泵）构成环境检测与调节系统；ISD1760 语音模块和GSM 模块构成报警系统；Wifi 和上位机构成远程控制系统。各模块与嵌入式芯片通过程序编写来实现通信，远程控制通过无线传感网络采用效率更高的ZigBee 拓扑网络进行通信，协作完成智慧农业系统的所用功能。

图1 系统整体框架结构图

2 硬件电路设计

2.1 信息安全系统

本部分由R305 指纹识别模块和GSM 模块构成，工作人员通过指纹识别系统实现员工考勤，管理员可以预先录入所有工作人员的信息并进行存储，同时如要启动智能农业系统或进入数据中心也需要指纹验证，如果指纹匹配多次出错GSM 将会报告给管理员，并判别是否为意外操作以便及时采取措施。

2.2 大棚内环境检测与调节系统

本部分由DHT11 模块、GY-30 模块，调节装置（排风、加热电阻、水泵等）组成。检测的土壤温湿度值和环境光照强度数值被传送到控制器进行处理，可根据农作物种类的不同，设定生长环境的温湿度和光照阈值，当采集的数值不在预先设定的范围内，调节装置根据不同的超限情况进行相应的处理，如通过排风装置进行降温，通过加热电阻提高环境温度，借助水泵实现土壤灌溉，直至温湿度重新回到设定范围之内，调节装置关闭，当大棚内的系统指标超限时可通过语音播报或者GSM 短信通知完成提醒功能。

2.3 报警系统

本部分由ISD1760 语音播报模块和GSM 模块组成。ISD1760 语音播报模块集成度高，具有高性能的录放功能，可实现多段录音，其采样率在一定范围内可以调节，芯片自带数据存储功能，能实现较好的音质和断电存储。当采集的温湿度和光照强度数值不在预先设定的范围内语音报警装置启动，提醒工作人员，同时GSM 模块给预先设置电话号码发送通知短信。设计中GSM 网络使用的是GA6 通信模块，该模块即支持短信操作，也支持电话功能、彩信功能，它支持四个通信频段，工作性能稳定，信号质量好，性价比高，通过串口和单片机的串口连接。使用中通过控制器发送特定的AT 指令控制GA6 进行短信发送和接收，方便便捷。GA6 模块模块使用5V 供电，模块支持移动、联通等多种通信制式，上电后实现SIM 卡自动注册。

2.4 摄像头

设计中使用了两个摄像头多方位监测大棚内的情况，通过其捕捉棚内画面，同时通过无线传感网络将画面经过处理后显示在远端上位机的屏幕上，从而实现图像的采集。

2.5 节能电源系统

设计中电源系统采用12V 铅酸蓄电池、太阳能电池板和太阳能控制器组成，太阳能电池板作位辅助电源对蓄电池充电，整个电源系统为各个硬件电路提供动力来源，因使用了太阳能可再生能源，所以系统能耗较低。

3 系统软件设计

3.1 系统的软件功能流程

系统的软件设计使用内置的C/C++编译器进行编译，将代码烧写至单片机内运行程序。系统通过外围传感器完成数据的实时采集，通过程序编写完成模块驱动设计，不同功能进程间进行通信，上位机接收实时反馈的信息，及时给工作人员反馈信息和语音提示。如大棚内参数不适合，通过Wifi远程控制实现调节。系统的软件功能流程如图2 所示。系统启动后首先进行程序的初始化，加载各种传感器和硬件设备，开启Web 服务器和应用程序，判定系统初始化是否完成，如果完成则显示启动成功，开始调用温湿度函数和光强检测函数，信息安全系统开启指纹读取程序，否则重新加载；所用硬件和程序启动后，还需判断是否有Web 服务器请求或者远程访问请求，如果存在请求，则此时远端的上位机页面可以显示实时信息，并可以通过页面设置完成远程的智能化操控。

3.2 硬件与网页交互的实现

系统软件在Linux 系统下完成，通过shell 命令完成web 前端设计及后端搭建；搭建过程主要使用Python语言和Django 框架；在页面设计上使用Python 结合了Html、CSS 等语言实现数据库与网页间的动态连接；系统的登录帐号密码以及查询历史记录会保存在sqlite 数据库中。在终端登录客户端，将想要完成的动作传递给服务器，服务器端根据接收到的信息完成指定动作，如工作人员可以通过账号密码登录网页，实时查看系统数据，还可以发出调节动作指令，完成远程控制。Django 框架的运行过程如图3 所示，管理员在浏览器中访问URL 后判断协议类型，根据http 请求获得转换后的IP 地址，经过网络传输到达Web服务器，之后会调用程序，最后通过Web发送到浏览器。

图2 系统软件工作流程图

图3 Django 框架的运行过程

3.3 Wifi 的远程控制

本系统使用Wifi 作为桥梁，无线传感网络采用效率更高的ZigBee 拓扑网络进行通信，实现上位机对大棚内环境调节装置的远程操控，提升农业系统的智能化和工作效率。设计中采用计算机作为上位机，管理员登陆客户端，网页页面显示大棚内图像信息和（温度，湿度，光强等）各种信号变化的实时数据，管理员可以根据实际需求通过计算机直接发出调节指令，控制下位机单片机完成对应的控制动作，调整大棚内环境的指数，达到远程操控的目的，让智慧农业更加智能化、人性化。

在使用Wifi 的远程控制中，主要分为以下几个步骤：首先进行无线路由器设置，登陆管理界面，找到虚拟服务器；然后打开CMD 命令提示行，输入目标客户端的IP 地址，并对上位机的进行配置，本设计中主要包括Wifi参数设置、指令设置、自定义动作设置、传感器设置等，这样就可以通过上位机实现对大棚内装置的控制，并能接收回传的视频。这里Wifi的远程控制需要开两个端口，一个为视频端口，另一个为控制端口，通过添加端口转发规则，确定转发的目标客户端的IP。无线路由器，连通了外网和大棚内的路由，使得可以在外网通过计算机控制大棚内的调节装置，实现Wifi 的远程控制。

4 特色与创新

（1）本系统结合指纹识别技术提高了系统信息安全性，且人性化易于操作，工作人员通过指纹识别系统实现员工考勤，管理员可通过预先录入指定的用户的指纹作为开启智慧农业系统的登录口令，而未录入指纹其他人则不能进入系统。同时如要启动智能农业系统或进入数据中心也需要指纹验证，如果指纹匹配多次出错GSM 将会报告给管理员，并判别是否为意外操作以便及时采取措施。

（2）语音播报报警和GSM 短信通知报警并用，当大棚内环境参数与设定的参数阈值不在同一范围内时，大棚内的智慧系统会发出语音播报提醒现场的工作人员开启调节装置，同时通过GSM 短信通知管理员进行备案记录，为农作物的生长提供智能化保障。

（3）通过Wifi 的远程控制，使上位机计算机与下位机单片机相互联系，上位机的使用可以通过下位机反馈的实时数据来及时的提醒工作人员和管理员，使工作人员及时发现周围环境的变化，做出相应的措施。上位机人性化的界面，能给用户提供方便而且舒心体验。

5 结论

本设计对智慧农业系统应具备的功能进行了研究，该嵌入式系统使用STM32 芯片，借助各种传感器对农业大棚内的环境进行数据采集，通过与系统预设的阈值比较，完成自动调节和远程控制调节功能，同时可以进行语音报警提示和GSM 信息报警。远程控制主要在上位机中进行网页设计，通过Wifi 将上位机和下位机连通，完成信息交互，大棚内的实时监测数据和视频画面可以显示在网页终端，三维视觉感逼真。整个系统对软硬件的控制性相对传统操作实效性更高、动作精确、执行更高效，未来随着人工智能的发展，智慧农业会更好的推广价值。