基于STM32的智慧农业系统

黄 健

（江苏安全技术职业学院，江苏 徐州 221011）

0 引 言

随着物联网技术的不断发展，国内越来越多的技术已经应用在现代农业生产中。目前，RFID技术、远程监控管理、末端传感器应用、无线通信技术等日趋成熟，并在智慧农业的建设和发展中起着举足轻重的作用。在发展的过程中，农业生产的效率得到显著提升，农产品效益明显增加，推动国内农业生产的步伐稳步前进[1]。

部分国家已推出和实施支持智能农业发展的政策和法规。 美国率先提出了“精确农业”的概念，已相继颁布了六项与农业信息化有关的法律法规和发展计划。 在信息、科研、教育、基础设施、投资等方面，明确需促进农业生产水平的发展[2]，为“智慧农业”及其相关产业的发展提供了良好的政策支持和资金支持。

自第二次世界大战以来，荷兰政府一直在执行农业保护政策。荷兰政府和欧盟一直坚持对农业进行大力补贴，以推动农业发展和农业知识创新研究体系的建设[3]。

综上，可以看到世界各地目前都在建立资金池，大力推广物联网技术在农业生产生活中的应用，所以进行农业智慧化改造和新建迫在眉睫。

1 基本思路

基于STM32的智慧农业系统建设内容主要为智慧畜牧业养殖系统。系统包括五层，分别是终端层、网络层、平台层、应用层、用户层。

（1）终端层：该层包含终端智能检测设备与传感器设备，例如：环境温度传感器、土壤水分传感器、体温监测器、血压监测器、定位电子标签及其他传感器设备的开关调节控制。

（2）网络层：采用现代无线通信技术或自组网络，将终端设备上送的数据通过网络层传输至平台层服务器。

（3）平台层：平台层包含大数据基础平台、云计算平台以及云存储中心，对系统中所有数据进行分析、计算、存储，并根据用户需求展示在智慧农业系统[4]。

（4）应用层：该层主要为农业生产过程中实际应用的各个场景，例如畜牧养殖、作物养殖、环境监控、大数据分析等，精确锁定用户需求与不同行业的功能场景。

（5）用户层：用户可通过多种方式对农业生产进行管理和监控，通过便携的移动端与平板电脑，以及适合办公需求的PC电脑等，轻松满足各种使用需求[5]。

2 智慧农业系统设计

本次设计主要实现的是终端模块的设计，主要包括WiFi无线通信、体温采集、血压监测、LCD显示、报警等功能。

2.1 主控模块设计

本设计选用的主控制芯片采用ST意法半导体公司出品的32位ARM芯 片STM32F103VCT6。STM32F103VCT6是ST公司出品的基于Cortex-M3系列的32位ARM微控制器，它提供的产品结合了非常优异的性能，拥有比一般CPU更高的处理性能[6]、实时能力、数字信号处理能力，具有良好的低功耗和低电压操作能力，支持无线连接，同时保持完全集成且易于开发。STM32F103微控制器是基于行业标准的核心，带有大量的工具和软件选择，因此该产品系列是小型项目或整个系统平台的理想选择。系统原理如图1所示。

图1 系统原理

2.2 电源模块设计

硬件系统的关键就是电源方案的稳定性，电源就是系统的心脏，好的电源方案才能设计出稳定的硬件系统。电源考虑的一个重点就是电源功率的选择，以及供电方式。本次设计由于需要测量体温、血压等参数，因此选用电池供电。电池为直流供电方式，电源模块主芯片采用LDO，STM32芯片的供电电压为3.3 V，这里选用RT9013-33电源模块。LDO芯片能够提供稳定的3.3 V直流电压输出，输入供电范围较为宽泛，满足电池供电的电压范围。图2为供电模块设计图。

图2 供电模块设计图

2.3 晶振时钟模块设计

作为最小系统，晶振模块和时钟必不可少。实时时钟（RTC）精度是大多数嵌入式应用程序的要求，但是由于外部环境-温度变化，晶体的频率变化时钟RTC-RTC精度可能不如预期的准确。嵌入在STM32F103XX中的RTC带有一个数字时钟适用于制造环境的校准电路[7]，允许应用补偿晶体和温度的变化。本设计主晶振采用8 MHz无源晶体振荡器，时钟模块采用32.768 kHz无源晶体振荡器。

晶振需靠近芯片端放置，以有效减少干扰和寄生参数。晶振与芯片位置的推荐距离为0.8 mm。同时，晶振走线不能跨层。晶振输入输出的旁路电容靠近芯片左右侧摆放，尽量不要放在走线上[8]。晶振为敏感器件，晶振周围不能有磁感应器件，比如大电感等。时钟晶振设计如图3所示。

图3 时钟晶振设计图

2.4 WiFi无线通信模块设计

现代物联网技术离不开通信技术，本次设计采用成熟的WiFi通信方式，完成数据的无线传输。本次设计WiFi模块采用乐鑫ESP8266模块，该模块具有如下特征：

（1）性能稳定[9]。ESP8266EX的工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，可适应各种操作环境。

（2）高度集成。ESP8266EX集成了32位Tensilica处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，即用极小的模块体积完成了PCB电路板中的大部分设计。

（3）低功耗。ESP8266EX专为移动智能设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，功耗极低。ESP8266EX具有省电模式，可供各种低功耗应用场景使用。

（4）ESP8266EX内置超低功耗 Tensilica L106 32位RISC处理器，CPU 时钟速度最高可达160 MHz，支持实时操作系统（RTOS）和WiFi协议栈，可将高达80%的处理能力留给应用编程和开发。模组整体电路如图4所示。

图4 模组整体电路

2.5 体温监测模块设计

体温监测模块需要贴附于被测样本的体表，本次设计采用铂热电阻Pt100体温监测标签。Pt100在0 ℃时阻值为100 Ω，随着温度的增长，Pt100的阻值成线性增长，利用该特性进行温度的采集，然后通过数据标定完成温度传感器的设计。体温监测模块电路如图5所示，为Pt100设计的温度采集模块。

图5 体温监测模块电路

3 结 语

我们调研了当前农业生产现状及存在的问题，并在畜牧养殖方面进行了深入研究和探索，设计并实现了智能畜牧养殖监测系统，包含对牲畜在生长发育过程中所处环境、生长状态、日常活动情况、特殊发情期等不同方面的设计，达到了对牲畜的全方位准确、有效监管，提升了养殖工作者的管理效率与牲畜生产效益。从而进一步推进智慧农业发展建设的步伐，同时更全面扩展了智慧农业在牲畜养殖方面的应用。本次设计采用STM32F103主控芯片，通过对主控模块、WiFi无线通信模块、显示模块、血压监测模块、体温测试模块等的设计，实现了智能终端硬件与软件功能应用的开发[10]。

作为智慧农业的重要组成部分，本次设计实现的智能监控终端达到了预期目标。在后续的工作和学习中，智慧农业的平台侧还需要进一步的研究和实现。

我们以实现农业生产智能化、经营网络化、管理高效化、服务便捷化为目标，促进互联网+、云计算、大数据、物联网等信息技术与农业生产、经营、管理、服务全面融合发展为己任，通过智慧农业建设过程中的研究与探索， 逐步提升政府管理能力，提高农业生产信息化水平，促进农业整体产业升级，普惠农村农民。