基于STM32和Android手機(jī)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者 祝朝坤 張凌燕 鄭州工商學(xué)院(河南 鄭州 450000)

祝朝坤 (1987-)，男，碩士，講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);張凌燕，女，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

摘要：本文基于STM32以及Android智能手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中通過STM32和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，提出并設(shè)計(jì)了一種通過對(duì)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控的系統(tǒng)，在控制設(shè)備的干預(yù)下，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造最適宜其生長(zhǎng)的環(huán)境的設(shè)計(jì)。

引言

　　在目前的技術(shù)浪潮推動(dòng)下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)形式已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。本文農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚的設(shè)計(jì)是以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能夠?qū)厥掖笈飪?nèi)空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋調(diào)節(jié)，通過控制其他設(shè)備對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境做出相應(yīng)調(diào)控。例如當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度不足時(shí)，系統(tǒng)就打開灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉;當(dāng)檢測(cè)到光照不足時(shí)，系統(tǒng)控制電燈打開照明控制系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控;當(dāng)檢測(cè)到CO2含量過高時(shí)，則打開通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)空氣進(jìn)行通風(fēng)調(diào)節(jié)等監(jiān)控功能。

　　大棚中主要通過STM32F103系列單片機(jī)對(duì)其中的溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)過換算得到相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過STM32F103的串口將數(shù)據(jù)傳輸給WiFi模塊。Android手機(jī)通過串口轉(zhuǎn)WiFi模塊對(duì)傳感器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。并將其在Android手機(jī)APP上顯示出來。與此同時(shí)，通過Android手機(jī)端，事先能夠?qū)Νh(huán)境溫濕度，土壤濕度的閾值進(jìn)行設(shè)定，如果當(dāng)前環(huán)境達(dá)不到所設(shè)定要求時(shí)，風(fēng)扇、電燈和水泵等控制設(shè)備會(huì)自動(dòng)打開，對(duì)大棚內(nèi)的空氣溫度及空氣質(zhì)量、光照強(qiáng)度、土壤濕度等環(huán)境信息進(jìn)行干預(yù)，以便達(dá)到預(yù)先設(shè)定的環(huán)境閾值。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。

　　硬件部分包括STM32單片機(jī)與各傳感器模塊的硬件電路設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)包括STM32單片機(jī)的程序開發(fā)，以及Android智能手機(jī)上的APP的開發(fā)。設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

1.1 硬件的選型和設(shè)計(jì)

　　物聯(lián)網(wǎng)大棚的環(huán)境節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的STM32F103系列單片機(jī)做為微控制器，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器和控制設(shè)備通過GPIO口、I2C引腳等接口與STM32單片機(jī)相連;同時(shí)，STM32單片機(jī)通過串行口和WiFi模塊相連，并通過TCP/IP協(xié)議與智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)傳感器信息的采集和對(duì)大棚內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)的控制。

1.1.1 設(shè)計(jì)中采用的傳感器

   1、DHT22一體化溫濕度傳感器

　　DHT22濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該產(chǎn)品具有超低能耗、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

   2、光照強(qiáng)度模塊電路

　　該設(shè)計(jì)中采用的是較為常用的BH1750FVI光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊。其工作溫度范圍也較廣，為-45℃至+85℃，能夠滿足一般工業(yè)生產(chǎn)的條件。同時(shí)也具有較高的靈敏的和精確度。

　　此模塊采用I2C協(xié)議與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其可以檢測(cè)到的光照強(qiáng)度范圍為1~65535Lux。

   3、 土壤濕度傳感器

　　土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器，土壤含水量傳感器。土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對(duì)表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的工具測(cè)量土壤容積含水量，主要用于土壤墑情檢測(cè)以及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。

　　以上三種傳感器是本設(shè)計(jì)中將要用到的傳感器，他們主要采集周圍環(huán)境中實(shí)時(shí)變化的溫濕度、光照強(qiáng)和土壤的濕度等農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息。

1.1.2 通信相關(guān)電路

　　為了解決硬件與軟件的通信以及攝像頭采集數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計(jì)中選用了ESP8266 WiFi模塊。該模塊是一款串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，他能夠?qū)纹瑱C(jī)的串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議，為單片機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)提供了可能。又因?yàn)槠涑杀镜?、使用?jiǎn)便、組網(wǎng)方便、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互，因此在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中，被廣泛采納使用。

1.1.3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚簡(jiǎn)易模型圖

　　在本設(shè)計(jì)中STM32F103用作核心控制器，用來對(duì)DHT22、BH1750FVI和土壤濕度傳感器的信息采集與處理，并控制WiFi模塊收發(fā)工作有序的進(jìn)行。在設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚簡(jiǎn)易模型如圖2所示。

　　1.2 Android客戶端APP程序設(shè)計(jì)

　　Android客戶端應(yīng)用程序作為本農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大棚系統(tǒng)所使用的手機(jī)客戶端。Android終端程序初步設(shè)計(jì)總共有1個(gè)主頁(yè)面和3個(gè)子界面。3個(gè)子界面包括環(huán)境信息控制界面、光照強(qiáng)度控制界面和監(jiān)控?cái)z像頭選擇界面?，F(xiàn)對(duì)此APP的子界面及其部分代碼進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

   1、主頁(yè)面

　　打開應(yīng)用程序即可進(jìn)入到主頁(yè)面，如圖3所示。在主界面上設(shè)置有3個(gè)觸摸按鍵，當(dāng)點(diǎn)擊這三個(gè)不同的觸摸按鈕時(shí)，會(huì)觸發(fā)不同的監(jiān)聽事件，從而調(diào)用相關(guān)函數(shù)，轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的子頁(yè)面當(dāng)中去。

　　2、“環(huán)境信息”子頁(yè)面

　　當(dāng)在主頁(yè)面點(diǎn)擊“環(huán)境信息”按鈕時(shí)，程序即可跳轉(zhuǎn)到環(huán)境信息子頁(yè)面去。該頁(yè)面布局和功能如圖4所示。