基于STM32 的智能农业大棚系统设计与实现

陶铭，吴嘉豪，洪嘉聪

（东莞理工学院计算机科学与技术学院，广东东莞 523808）

随着信息化带来的销售途径的拓展，农户的种植规模不断扩大，农作物管理越来越复杂化，控制不同种植区域的生长环境因素也愈发重要。而作物的管理与生长环境的调整在种植过程中起着举足轻重的作用[1-2]。一个种植方案的好坏，直接影响到作物的收益，从而影响农户的经济收入。传统的农业大棚种植方法，如手动检测生长环境因素及手动控制设备开关进行补水、排气、补光等操作早已不适应时代的发展，借用信息化技术自动进行大棚内环境监测及设备操作已经成为迫切需求[3-4]。

资料显示，现实生活中的各类温室大棚解决方案普遍存在不足之处，需要人工进行复杂的相关设置，甚至在特定情况下需要大量人工为之服务，自动化程度偏低。虽然半自动化温室大棚解决方案可以节省农户在调整作物生长环境的工作量，但面对日渐增大的种植规模却显得束手无策[5]。

文中设计并实现一种基于STM32 的智能农业大棚系统，搭载系统所需要的各式传感器，如空气温湿度传感器、光照传感器及土壤温度传感器等，实时采集大棚内部的环境参数[6]，并结合了长距离无线传输技术（Long Range,LoRa）将采集到的环境数据通过无线局域网传送到服务器端软件[7-10],由服务端软件对数据进行分析处理，使用户能够直观地看到棚内环境的变化并进行相应的调控。

1 系统架构

基于STM32 的智能农业大棚系统由硬件系统、WEB 后台管理系统及微信小程序管理系统三部分组成。其中，硬件系统主要负责数据采集、数据传输以及执行用户指令操控设备；WEB 后台管理系统主要负责对监测到的大棚内环境数据进行分析处理，并进行可视化展示；微信小程序管理系统主要负责掌上数据可视化以及各类设备的管理[11]。

2 硬件系统设计

硬件系统使用了STM32F103ZET6 作为开发板，同时搭载了系统所需要的各类传感器、OLED 屏幕模块、LED 等模块及通信模块等，并将整体硬件系统分割为数据采集层（包括各类传感器）、数据处理层（数据处理模块）、数据传输层（数据传输模块）、数据通信层（ESP8266WiFi 通信模块）[12-13]。其架构设计如图1 所示。

信息感知能力是测控单元的基本能力。在设计的系统中需要部署各类传感器，用于精准测量环境中的各种参数，从而实现对大棚内环境的掌握及控制。系统所需监测的环境参数包括大气温湿度、光照强度、一氧化碳浓度及土壤温湿度等[14-15]。因此，在数据采集层采用了如下传感器：①DHT11空气温湿度传感器，该传感器具有低功耗特性，通过单片机等微处理器进行简单的电路连接就能够实时地采集本地湿度和温度；②光敏传感器，该传感器受到不同强度的光照会产生电流的变化，通过串接电阻及STM32的ADC即可获得电压值，通过转换公式：光照强度=100-（temp_val/40）（注：temp_val为ADC多次取值后获得的电压均值）即可获得光照强度值；③火焰传感器，LM393、火焰检测探头组成感光火焰传感器，该传感器对火焰光波长极为敏感，能将火焰的强弱变化转化为电流变化，并采用LM393 输出监测信号，STM32 通过检测所属针脚的电平信号高低确决定是否发生火灾。

在数据传输层，STM32 系统通过串口与LoRa 模块连接，发送环境监测数据包实现长距离精准传输。LoRa 模块接收到环境监测数据包后通过串口传输给网络通信模块进行处理。数据通信层在STM32 系统控制下，借助ESP8266 模块将监测数据转换为WiFi 信号，通过无线局域网将数据传送到云服务器端软件，最后由服务器端软件对数据进行分析处理。LoRa 模块上传环境监测数据的功能时序图如图2 所示。

3 软件系统设计

软件系统采用MVC 框架，整体框架垂直切分为视图层（View）、控制层（Controller）、业务逻辑层（Service）和持久层（DAO）[16]。各层之间相互独立，通过接口进行通信，整体框架具有高内聚、低耦合的特点。软件系统架构如图3 所示。

该系统开发了基于SSM 的WEB 端和微信小程序端作为后台管理系统，主要为用户提供整个系统的监测数据可视化功能以及硬件设备的管控功能。具体的系统数据流图如图4 所示，相应的关系数据库模型设计如下（其中主键用下划线表示，外键用双下划线表示）：

遮光帘设置（设备ID，设备触发光照强度阈值，设备开关标志）。

风扇设置（设备ID，设备触发大气温度阈值，设备触发大气湿度阈值，设备开关标志）。

水泵设置（设备ID，设备触发土壤温度阈值，设备触发土壤湿度阈值，设备开关标志）。

灯设置（设备ID，设备触发光照强度阈值，设备触发颜色，设备开关标志）。

用户（用户名，用户邮箱，密码，激活状态，权限）。

预警信息（设置时间，用户名，土壤温度，土壤湿度，大气温度，大气湿度，光照强度）。

数据（收集时间，土壤温度，土壤湿度，大气温度，大气湿度，光照强度，火焰标志，液位标志，一氧化碳浓度）。

植物指数（植物名字，土壤温度，土壤湿度，大气温度，大气湿度，光照强度）。

4 系统测试

启动系统硬件端的开关后，大棚内所部署的各类传感器开始监测空气温湿度、土壤湿度、一氧化碳浓度等环境参数，并通过LoRa 模块和ESP8266WiFi通信模块将环境监测数据上传至云端服务器。此时，用户打开WEB 端或小程序端能够查看大棚内的环境监测参数信息，如图5 和图6 所示。

系统也会将监测所得到的数据与用户设置的阈值进行对比，如果超出预设阈值，则会自动进行手机预警通知，让用户第一时间掌握大棚内环境动态并及时作出响应。同时，系统也会自动操控相应硬件设备来调节大棚内植物的生长环境。

5 结束语

文中设计并实现了一种基于STM32 的智能农业大棚系统，通过部署各类传感器来实时监测大棚内的环境参数，然后将数据由LoRa 通信模块传送至WiFi 中心节点并上传至云端服务器。后台管理系统接收到环境监测数据后进行分析处理，从而为用户提供监测数据可视化以及根据监测数据管控大棚内部各类硬件设备的功能。虽然该系统能满足智能农业大棚的基本需求，但仍存在不足及可扩展之处，需进一步完善，如硬件端不支持浮点数运算，导致数据处理无法做到更精细化。