基于STM32和物联网云平台的农业环境监控系统的设计

沈筱予 黄葆华 徐超 常文啸 叶胜有

摘  要：基于STM32和物联网云平台的农业环境监控系统，目的是实现对农业大棚环境的实时远程监测与控制，将检测到的温度、湿度、光照、土壤湿度、CO2等数据，通过L610无线通信模组传输至物联网云平台，以对大棚的环境进行调控。并且该系统有火焰报警和人体红外入侵报警，用户可以通过网页端实时查看大棚环境，并远程控制农业大棚的灌溉设备、通风、照明等设备。同时该系统可根据监测的数据自动启动相关设备，实现对农业环境的智能化处理，以满足农作物的生长需求。

关键词：STM32;传感器;物联网;云平台;农业环境监测

中图分类号：TN929.5             文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0171-05

Abstract： The purpose of the agricultural environment monitoring system based on STM32 and the Internet of Things cloud platform is to realize the real-time remote monitoring and control of the agricultural greenhouse environment. The detected data such as temperature， humidity， light， soil humidity and CO2 are transmitted to the Internet of Things cloud platform through L610 wireless communication module to regulate the greenhouse environment. And the system has flame alarm and human infrared intrusion alarm. Users can view the greenhouse environment in real time through the Web terminal， and remotely control the irrigation equipment， ventilation， lighting and other equipment of agricultural greenhouse. At the same time， the system can automatically start relevant equipment according to the monitored data to realize the intelligent processing of agricultural environment， so as to meet the growth needs of crops.

Keywords： STM32; sensor; Internet of Things; cloud platform; agricultural environment monitoring

0  引  言

目前物聯网技术已经完全可以覆盖涉及到当今人们日常生活的各个方面，而现代农业是当前物联网主要的应用领域之一。然而农业作为中国的基础产业，务农人数越来越少。因此，利用物联网技术和自动化技术来提高农业种植产量和效率是必要的[1]。本项目利用物联网技术来构建农业大棚环境的智能监控系统，实现对农业大棚的智能化管理，提高农作物生产质量和效益。

1  系统方案设计

1.1  系统设计需求

基于STM32和物联网云平台的农业环境监控系统的需求目标是对大棚环境内的温湿度、光强、土壤湿度和CO2浓度进行有效监控及管理。温湿度、光强、土壤湿度及CO2浓度对农作物的生长有较大影响。当温度较高时，容易引起害虫滋生和农产品病变;温度相对较低时，又会影响农产品的产量。而土壤湿度较高时，同样的也可能会直接影响农作物产量;土壤湿度较低时，农作物不易吸水，会直接严重影响农作物的正常寿命生长与发育及其结果。而自然光照强度和CO2浓度会影响农作物的光合作用。因此本文设计的农业环境监控系统，根据现代农业的实际情况得到以下需求：

（1）需要实时监测得到大棚环境的温度、湿度、光强和CO2浓度。

（2）在每个数据的采集完成后，需要设计主控制系统，对环境参数设置相应的阈值，其阈值设定根据适宜农作物生长的标准。

（3）可以在上位机客户端实时查看环境参数，并设计灌溉、通风、照明控制装置，可在参数超过设定阈值时采取相应的措施。

1.2  系统总体设计

本系统主要分为三个层次：感知层、传输层、应用层。具体框架如图1所示。

1.2.1  感知层

包括数据采集层及设备控制端。数据采集层由温度、湿度、CO2浓度、光强、土壤湿度、火焰和红外传感器构成，设备控制端由灌溉设备、照明设备、风扇和报警装置组成。

1.2.2  传输层

传输层的作用是上报数据及接收云平台指令。

1.2.3  应用层

以物联网云平台为基础，分析处理感知层所采集的数据，向控制设备下发出控制指令。用户可以通过网页端了解到大棚环境信息，可根据当前环境对风扇、水泵、照明灯等远程设备进行控制，同时系统也可根据预设的阈值自动调节当前环境。

2  系统硬件设计

2.1  主控芯片

在本系统中，我们对多种传感器进行数据收集与处理，并且需要控制调节装置，因此对稳定性有很大的要求，选用STM32zet6作为主控芯片。该芯片最高72 MHz的工作频率，多达八个定时器，并内嵌8 MHz的RC振荡器，能满足系统的设计需求。

2.2  传感器选型

2.2.1  温湿度、光照传感器

本系统中运用DHT11作为温湿度传感器。其具有体积小、响应快、抗干扰能力强、低功耗、稳定性高、可靠性强的优点[2]，被广泛应用于例如环境监测、智慧农业等领域。光照传感器模块选用bh1750，传感器内部包含通信电平转换，内置十六个字节的模数转换器，直接数字输出，省略标定FVI[2]。因体积小，被广泛应用于室内光照检测、温室大棚。

2.2.2  二氧化碳、土壤湿度传感器

二氧化碳传感器选择MG811，其体积小、灵敏度高、有很强的防湿能力。其测量范围0-100 00 ppm，对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性，符合本系统的设计要求。土壤湿度传感器选用YL-69土壤湿度传感器。用于检测土壤的含水率，其探头为u型，检测精准，响应灵敏[3]。表面镀镍，增加了感应面积。AO输出模拟量，与AD模块相连，通过AD转换，可以获得土壤湿度准确的数值[4]。

2.2.3  红外、火焰传感器

红外传感器用于检测有无人走过。当有人进入其感应范围，会启动报警装置。选用的HC-SR501模块，其功耗低，耐用安全、工作在低电压模式的特点，符合设计的需求。火焰传感器用于感知火焰，采用YS-17光敏电阻，利用红外对火光极为灵敏的特性，通过特殊的红外接收管来测量火光，进而将火光的亮度转换为强弱变化的电平信息输出[5]。

2.3  无线通信模块

无线通信模块选用广和通的FIBOCOM ADP-L610-Arduino模组，为4G蜂窝通信模组。板带LTE CAT1通信模组L610，并自带贴片物联网SIM卡。支持外接串口，并可支持TTL/RS232两种电平，可与外部MCU或PC连接;支持TYPE-C USB口，可与PC直连，USB口供电并通信，可独立并便捷地进行通信方面的测试验证。L610-CN是一款LTE Cat1 bis无线通信模组，可以LTE、GSM双模通信。同时拥有VoLTE、Audio、Camera、LCD、Keypad等功能，适应了IoT业务的不同使用需求。产品定位覆盖中低速率物联网市场，可为各领域客户提供完美高速体验。

3  系统软件设计

3.1  主控程序

软件程序分为驱动传感器完成数据采集、使用通信模组传输数据、控制设备启动三大部分。物联网平台软件支持用户通过网页端查看所检测的温湿度等数据，并可以查看设备状态并进行控制。首先是做好各项初始化工作，如时钟初始化、定时器初始化，串口初始化，ADC初始化，GPIO初始化，传感器初始化，DMA初始化等。其次是对传感器的驱动及将采集的数据进行处理并上传云端，最后设置接收云端的指令来启动设备。

3.2  数据采集程序

数据采集主要是指对各个传感器输出信号的读取，并进行存储、转化。其采集流程如图2所示。包括温湿度、光照传度模拟iic串行总线读取，二氧化碳浓度UART串口数据的读取，土壤温湿度ADC采样的读取，及火焰、红外线高低电平的检测。ADC采样流程如图3所示。

3.3  无线通信模块配置及数据传输

3.3.1  物聯网云平台

阿里云提供了优秀的物联网平台。其通信传输安全可靠，功能齐全，支持感应层的设备数据上云，它的规则引擎完善，便于设备的管理，它支持用户自定义物模型和结构存储数据，同时它提供了监控运维、数据分析和视频服务，用户可以远程在线调试[6]。开发者也可基于阿里云平台来开发网页和APP。

3.3.2  无线通信模块配置

广和通ADP-L610无线通信模组内部集成了标准MQTT协议，与STM32是以串口通信形式。首先是对其软件版本进行升级，使它能够适配阿里云，再在阿里云物联网平台上创建产品及设备，然后是STM32与L610串口通信，首先初始化STM32的串口、DMA，接着单片机发AT指令对L610进行初始化配置，L610会返回状态，对其处理后开始连接阿里云。L610初始化配置指令如图4所示。

3.3.3  数据传输流程

首先要在阿里云物联网平台创建物模型，然后上报物模型数据，需要采用JSON格式。其中的三元组信息通过查看设备证书获得。单片机可以根据返回的数据来判断是否上报成功，数据传输具体流程如图5所示。

3.4  设备控制端程序

设备控制端接收到云端下发起的指令后会开启设备，其启动的条件及规则皆在云端进行设置，当云端对传感器上发的数据进行分析和处理后，用户可指定一系列规则，例如设置阈值，当数据超过时，云端会向设备控制端下发指令，这样避免了主控来判定数据打开设备，保障了MCU的性能，同时云端处理会迅速高效。STM32要设置与L610的串口通信来接收云端下发的指令，使用单片机的idle空闲中断来接收不定长数据。设备控制分为手动和自动两种，都是由云端下发指令到设备端[7]。自动模式下，物联网云平台根据农作物自身生长状况设置相应的阈值，当检测值超标后，会下发指令到STM32控制系统通过相应的GPIO技术输出高低电平来驱动电机及继电器工作。电机通过定时器IO口输出PWM波进行相应的控制，主要是风扇系统，当温度超过设定范围，会启动风扇，根据温度情况调整转速来达到调控的目的，当检测值低于设定值则关闭。当土壤湿度低于设定阈值，会通过GPIO控制打开继电器，开启水泵，启动灌溉系统。当光照都过低时，也会打开继电器，开启照明系统。

4  系统的测试

最后是系统测试阶段，需要验证其可行性，具体内容有：

（1）在数据采集端，大棚农业环境数据能正常采集并通过串口输出。

（2）在数据传输端，L610能正常连接阿里云，并将数据上报，可通过阿里云平台调取历史数据、绘制数据折线图，如图6所示。

（3）在应用层，用户能通过网页端看到采集的数据信息，设备的状态并控制设备，用户服务端如图7所示。

经过24小时的稳定性测试，各系统能协同工作，系统数据传输稳定，设备不会掉线。符合设计的需求，具有可靠性和稳定性。

5  结  论

本文采用STM32F103 ZET6作为核心处理器，连接传感器及控制设备，设计并实现了基于STM32和物联网云平台的农业环境监控统。该系统能够检测农业大棚二氧化碳、温湿度、光照、土壤湿度，并能火焰和人体红外报警，通过L610无线通信模组将数据上传至云端，并通过物联网云平台下发指令到控制端来调控设备。经测试，用户可在网页端看到监测的环境参数，并且系统可根据设定过的阈值自动启动设备端，用户亦可手动控制。本系统分层次、较为完整，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1] 廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法 [J].农业工程学报，2016，32（11）：233-243.

[2] 汪思德，陈乙鑫.基于物联网的智能环境监测系统的设计与实现 [J].现代计算机（专业版），2019（10）：85-88.

[3] 王明武，张軍，杨莉，等.基于物联网的农业大棚环境监控系统设计 [J].陕西理工大学学报（自然科学版），2021，37（5）：31-37.

[4] 曾滢.植物自动浇水系统设计 [J].电子测试，2018（15）：31+42.

[5] 苑咏哲，张辉，单雪瑞，等.基于移动互联的智能生活管家的设计与实现 [J].电子设计工程，2020，28（6）：184-187+193.

[6] 李林.基于阿里云的智慧粮仓监测系统的设计与实现 [J].南方农机，2021，52（19）：140-142.

[7] 王明飞，张石锐，郑文刚，等.日光温室调控系统设计与实现 [J].中国农机化学报，2020，41（4）：65-71+77.

[8] 林倩.I2C协议解析及实测波形 [J].数字技术与应用，2016（11）：57-58.

作者简介：沈筱予（2001—），男，汉族，江苏扬州人，初级工程师，本科，研究方向：物联网、嵌入式系统开发。