实现基于单片机的农业监测控制系统

4摘要随着人工智能技术的不断进步，物联网技术与日常生活逐渐紧密相关，越来越多的农业检测控制系统实现智能化处理，大大节省了人力物力，有效提高农业领域的管理效率，推动产业的迅速发展。针对传统农业领域管理复杂、不能有效监控农业温湿度的问题，本文利用人工智并采取智能化管理模式，构建智能化农业监控系统，实现系统的实时监(1)针对农业领域农作物生长环境的温度不能实时监控，导致农作利用温度传感器实时监控环境温度数据，设计电机驱动电路，结合风扇(2)针对农业领域农作物生长环境的湿度不能有效监控，导致农作物旱死或涝死问题，基于STM32嵌入式设备，利用湿度传感器有效监控环境湿度，设计继电器驱动电路，有效对农作物实现灌溉，又或是切Abstract5(1)Aimingattheproblemthatthetemperatureofthecropgrowth 6 随着科学技术的不断进步，互联网技术成为新一代通信领域中不可缺失的一部分，慢慢发展到万物互联程度。物理网技术的定义可通过全球定位技术、嵌入式传感器、红外热像、激光扫描等信息化处理，通过某种规定的协议，将生活中的物体与互联网进行连接，采集物体的状态及信息，通过互联网控制系统对物体进行智能化监控、定位及管理。现阶段随着物联网的应用价值不断提高，农业也是国民立身灌溉施肥，不但耗费了大量人力物力，出现懈怠疏忽时，也会造成水资源及农产品作料的大量浪费，不利于农业领域的可持续发展。现阶段，随着物联网结合大量农用设备应用于农业领域越发广泛，为农作物物联网及农业领域的可持续发展奠定了7夯实的基础。以前，传统种植农作物时，主要依赖前人相传的经验，依据天气对农作物进行固定天数的灌溉，对于干旱与下雨天，不同程度的相隔多长时间进行灌溉。针对农作物上滋生的害虫及病变，农户们也需根据过往经验，酌情使用农药进行杀虫处理及病变医治。但现在随着物联网技术的不断普及，农业产品与智能化相结合，可实时监控农作物生长，采集生长环境的数据，结合数据采取相应措施，实现智能化处理，使农作物生长于舒适稳定的环境中，解决过往利用经验灌溉施肥不当引起的问题和不足。以前，传统种植模式下，干旱天或暴雨天，需要人为观看土合了物联网技术后，只需要检测农作物生长环境的温湿度参量，智能化灌溉浇水，极大效率的提高了农作物的产量，并且有效控制农作物的生长周期，同时也极大促进了万物互联的农业普及率。农业智能化，结合物联网技术与通讯技术，在农作物的生长过程中，结合多种传感器、通讯技术以及物联网控制技术，实现农作物生长过程中的采集智能化、智能化分析以及控制一体化处理，实时采集环境温度、湿度等，通过通讯技术将参数传输到主控模块，由控制系统采取相应的降温及继电器控制灌溉处理，为物联网的农业可持续发展提供极大的帮助。方案的首要目的是采用智能化技术解放人力物力，大大提高农业的产量。首次农业小组委员负责农业智能化整体战略方案，在智能化农业技术发展过程中，统一进行紧接着美国开展智慧农业的部署，针对自身地广人稀，不能有效管理农作物的监控农作物的生长环境，可实现农作物生长的智能化监管，极大推动了智慧农业的身的科技水平发展也处于领先，政府正大力的支持构建智慧农业。根据相关政策，法国政府也预想去构建一个“智慧农业”大国的智能化体系，具体实现将互联网技8术与实际的农业种植和灌溉相结合，农户便可以在家远程监控农业种植环境，随时随地查看环境是否适宜农作物的生长，足不出户的实现农业的灌溉与降温，利用物日本自身人数较少，大量的农作物种植及收成缺少大量劳动力，政府针对其人数不足问题，努力发展信息技术，构建一个农产品信息数据库，不断收集及农产品丰收的环境温湿度数据，了解各国之间的农业生长情况，为自身的农业智能化做好我国，农业智能化技术相对起步较晚，最开始时候，政府为了促进智慧农业的备的普适性较差。但近几年来，我国的科技水平不断上升，并且不断吸取学习国外推广的智能化农业案例，逐渐优化自身的通信技术与传感器类型，逐渐我国的农业智能化逐步上涨，实现农户管理人员能够远程查看农作物的环境参量，足不出户的进行远程监控。其中最有代表性的农业智能化成果案例为甘肃省兰州市的榆中县，响应政府的号召，大力推广“农业领域互联网+”模式，在农村的土地间进行网络的覆盖，逐渐实现农作物的生长智能化管理。过了解现代农业的智能化发展与物联网通讯技术后，分析实现农业智能化设计的技术方案与实现路线，基于STM32嵌入式单片机构建一套农业智能化检测控制系统，主要研究内容包含以下几个方面：STM合温度传感器与湿度传感器构建环境实时采集子系统，结合电机与继电器控制电路构建实时控制农作物生长环境子系统。，结合风扇有效对农作物实现降温处理。本文根据农业智能化的实际内容，实际章节安排如下所示。第一章为绪论部分，主要介绍了物联网结合农业智能化监测控制的研究背景，阐述了国内外对智慧农业的研究现状，同时根据国内外背景构建本文的主要研究内容及开展的方向，最后分开描述了论文的结构与内容。9第二章为系统的整体规划方案与实施的关键性技术，主要包括了论文系统整体件电路设计规划方案，按照系统整体的硬件方案，分别分析并介绍了子系统各个硬件电路的组成部分，主要为主控制系统的组件例如复位电路、晶振、电源模块等信息，以及子系统的电机硬件电路、继电器硬件电第四章主要介绍了系统的软件设计规划方案，首先阐述了系统软件设计的需求分析，根据各模块的硬件电路构建基于STM32的农业环境监测控制系统的软件平台。主要包括环境数据监测子系统的软件、OLED的软件设计。并结合软件方案进第五章为总结与展望，简要描述了论文开展的主要研究内容，并对系统自身的不足之处提出了改进，开展了未来展望。2.系统的整体需求及关键技术2.1系统的整体需求本论文实现的农业智能化管理主要实现对环境的温湿度进行监控，并设计相应的温湿度控制系统，能够有效的管理农作物生长环境，构建农作物生长的适宜环作用，当温度较高时，害虫滋生率以及农产品病变率直线上涨，而温度相对较低时，农产品果实的生长率又会大大受减，大大影响农产品的产量。当湿度较高的时候，农产品会过涝，影响产量与产值。湿度较低的时候，农产品自身枝叶吸水又会受影响，水分过少会影响农作物自身的生长与结果，不利于生长发育。总的来说，不管是湿度值还是温度值过高或过低都会不利于农产品的生长发育，影响其产量。本文设计的智能化农业检测控制系统，根据现代农业的实际状况研究得到以下(1)需要实时采集农产品生长环境的温度与湿度参量(2)在每个参量的采集传输显示后，需要设计主控制系统，对环境参量设置相应的阈值，其阈值的设定根据农产品的实际的生长适宜性(3)可以在显示系统中实时查看采集的阈值，设计环境降温与灌溉控制子系度较低时采取相应的措施。2.2系统的设计原则系统的稳定性，主要指系统完成实现设定的指令，不受环境影响，能够达到预期规划的能力。本文的农业监控系统的设计，要充分考虑好各个传感器之间的合作性，元器件内部的电子特性能否达到系统规划的要求，并且数据采集子系统会不会出现数据丢失问题，硬件设计部分考虑原理图布线的规范性，以及硬件系统的抗干本系统总体设计阶段，要考虑系统的简易性以及用户的接受性。同时系统实现性，提高用户的学习速度，(3)性价比系统的性价比部分也是系统选型的重要考虑因素，元器件的选型在相同的价钱器件，可以大大节省预算。如果同等功能下，分别使用硬件电路和软件设计都能实高农业检测控制系统的性价比。2.3微处理器的选择个控制系统能够正常稳定的运转，是否达到预期的实现目的。同时微处理器的选型也要满足农业检测控制系统的稳定性、实时性、性价比较高等特性。农户根据传感性的对环境温度进行控制，有效的控制风扇电机或灌溉控制的继电器开关，进行有组成，同时作为集成电路的代表性控制芯片，FPGA的出现解决了电路内部构造产能扩展性较强，但是其芯片自身的成本过高，并且不利于开发者简便上手，不是本电路主要由超大规模的集成电路构建完成，以较短时间内处理大量信号而闻名。指令数据分开处理存储，从而使输入信号的数据吞吐量大大提高，极大节省了处理钟可运算上亿次数据；同时具有较多的硬件寄存器，手较为复杂，操作繁琐。单片机又被称为单片微型控制器，是一种集合中央处理器、只读存储器、随机存储器、EEPROM、不同定时器以及各个I/O口的集成电路控制器。相较于和32位单片机。不同位数的单片机也决定着其性能的高低，常用的32位处理器中，又以STM32使用率及性价比低、稳定性强等优点应用率较高，资源更加丰富，并且官方开发的库函数为开发者提供极大的便利性，上手简单易懂，内部大量的寄存器，为开发者构建农业监测控制系统提供极大的便利性。z6倍，工作频率达到72MHz，资源丰富，能够快速计算指令程序的与和或(3)主控处理器的功耗低，具有内部时钟模块，管理外设的时钟开关，进而控外设的功耗。(5)外设比较丰富，处理器的外设扩展性较强，同时通信协议的支撑性以及可延展性较强，支持大量的通信协议，例如SPI、CAN、USB、IIC、串口除了以上优点之外，STM32的电源模块的组成较为广泛，可利用电源模块从本章根据农业检测控制系统的实际情况描述了系统的整体需求，同时提出了系统的主控芯片，并详细介绍了其优势与原理图，能够有效稳定的完成系统处理。环境控制模块温湿度采集模块环境控制模块温湿度采集模块温度传感器3.系统的硬件设计3.1总体硬件的设计方案本文设计的农业检测控制系统主要由三部分组成：主控模块、环境温湿度参量采集子系统、适宜农作物生长环境控制子系统。其中主控模块主要根据传输的温湿设定相应阈值，同时设定自动模式以及定时模式，根据阈值的设置及时对控制系统做出相应的反应；环境温湿度参量采集子系统，主要是结合温度传感器以及湿度传O要是接受到主控模块的相应指令后，控制风扇电机以及继电器控制系统进行相应的降温与灌溉处理。其中硬件主控系统采用STM32主控模块，采集的环境参量为农作物的温度与湿度，选用的传感器为DHT11湿度传感器以及DS18B20温度传感控模块境温湿度，农业检测控制系统的主要模块主要由电源模块、电机驱动模块、继电器湿度传感器湿度传感器.1电源模块电源模块负责整个系统的供电及能量的运转，电源模型设计的好坏直接决定着系统的稳定性工作以及元器件的使用寿命问题，不仅考虑到各模块的正常工作电压问题，还要充分的考虑好不同电压之间的信号差产生的干扰性问题。电源模块设计原则主要包括考虑模块子系统输入的电流、电压及功率。本设计考虑电机及继电器LM及稳定的频率振荡器，可以结合较少的元器件构建稳定降压电路，同时大大减小电此器件的选型是构建稳定电路的基础。电路设计电机工作主要由内部线圈的不断转动产生相应的电流进而带动电机栓子的转动，当电机栓子上的线圈平行于电路磁场时，转子受到的磁场力将会发生变化，从而改变转子末端的电刷方向，这样电刷自身上线圈电流方向相应改变，但实际电流产生的洛伦兹力并没有变化，我们生活中常看见的电机转动只保持一个方向。而电机的工作原理也是电刷线圈会感应电动势发生交变，配合电刷的不断换向。电机的身驱动稳定，价格较为低廉，开发简单，被开发者广泛接受。具体的驱动硬件电路路设计为了更好的对农产品环境实现灌溉控制目的，本控制系统考虑使用继电器进行灌溉的开关控制。继电器主要有安全保护电路及自动调节开关的工作，内部电路导通后，自动打开灌溉浇水开关，利于农作物生长，当湿度达到一定程度后，继电器CF所示。电路设计本系统选用的温湿度传感器的型号为DHT11，是市面上使用率较高的温湿度传感器。其内部电路结构较为简单，主要由一个简易的温度测试元件以及电阻式的感湿元件组成，采集湿度参量稳定性较高，可靠性更强。因其体积较小，操作简单，功耗低等优势被开发者使用频率较高，同时与STM32主控芯片搭配，性能更OLED，全称为有机发光二极管。显示屏自身通过IIC通信协议软件驱动，不需要背光源的引导，自发光、并且内部二极管视角光，自身屏幕厚度较薄，对比度.3本章小结业检测控制系统的硬件组成电路，着重叙述了各个模块的硬件电路，具体包含电源模块、电机驱动电路、继电器的驱了选型的考量性，并介绍了其组成电路及自身器件工作优势，各模块的硬件组成电4.系统的软件设计系统的完成起到不可缺少的一部分，为了达到整个系统最终实现功能的稳定性及实时性，本文对整个系统的软件部分的：(1)数据的采集模块：基于温湿度传感器对农产品生长环境实时采集，整合数据传输到主控系统。(2)数据的显示模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统软件驱(3)数据的处理模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统根据农作物生长环境设定相应阈值进行数据的处理，当超过阈值向环境控制模块发出指(4)环境控制模块：电机与继电器驱动电路，接收到主控系统发送的降温及灌溉指令，对相应设备发出控制指令，及时进行农作物的降温及灌溉。农作物生长环境数据采集模块的主要实现功能为借助结合A/D技术，采用温湿度传感器实时采集环境温湿度，并向主控系统进行传输。首先，软件设计中需要先对传感器进行初始化操作，避免传感器数据的冗杂，首先软件程序调用过一段时间的采样保持，调用A/D转换技术，将传感器采集的模拟信号转化数字信口传输后，通过OLED显示模块，实时监控显示环境的温湿度信息。在显示模块分通过Write_IIC_Comman()Write_IIC_Data实()现IIC技术间的通信功能。OLED成功驱动后，温湿度数据传输过来，便调用OLED模块的字符显示模块OLED_ShowString函()数进行温湿度的显示，因为最后实现的字符串显示，所以需要将温湿度数字信息转化成字符串信息进行显示。具体软件实现如下.2所示。4.4环境控制模块软件设计环境控制模块实现的功能为：单片机设置控制系统分为定时模式与自动模式两种模式，定时模式下，管理人员可根据农作物生长习惯、自己喜好来进行数据的设定，定时开启电机或继电器进行降温灌溉处理；自动模式下，STM32单片机系统控制系统根据农作物自身生长状况设置相应的阈值，温湿度实时采集传输，当检作。并且电机的功能实现是单片机通过I/O输出PWM，对风扇电机进行相应的控制，当温度超过设定范围内，电机进行PWM调节，根据温度范围调整转速，对温度进行调控，当检测环境温度低于某一范围内，关闭电机的运转。当湿度低于设定对农产品进行灌溉，当环境湿度超过一定的阈值后，控制继电器闭合，灌溉停止。对于环境的温度控制软件部分如下图4.3所示，对于环境的湿度控制软件部分如下4.5系统的实物测试完成农业检测控制系统的硬件与软件设计后，需要对系统的子系统组合整体验证测试，当各个子系统都正常显示温湿度后，满足系统整体的设计方案，农业检测控制系统的检测才算具有可靠性和稳定性。本文上电后，整体测试后，发现实物电开启，环境温度降低；湿度过低时，继电器开关打开，正常进行灌溉处理。农业检测控制系统的实物正常工作图，如下4.5农业检测控制系统实物正常工作图5.总结与展望本文基于STM32设计一套智能化的农业检测控制系统，包含了硬件电路原理(1)根据控制系统的总体方案，确定了本系统的微处理器、温湿度传感器、电机驱动芯片、稳压芯片以及继电器驱动芯片的选型，保证系统的稳定性与可靠性。致农作物过热产量下降的问题，结合物联网技术，基于STM32嵌入式设备，利用温度传感器实时监控环境温度数据，设计电机驱动电路，结合风扇有效对农作物实现降温处理。致农作物旱死或涝死问题，基于STM32嵌入式设备，利用湿度传感器有效监控环境湿度，设计继电器驱动电路，有效对农作物实现定时灌溉。(4)设计农业检测控制系统的数据显示模块，采用OLED显示屏实时显示温湿度传感器采集的温湿度参数。定量调控环境的温度与湿农业检测系统缺乏重要的农业知识库，可以设计农业智能化权威专家平台，借农参考文献[1]顿文涛,赵玉成,袁帅等.基于物联网的智慧农业发展与应用[J].农业网络信息,2014,7(12):9-12.[3]王海宏,周卫红,李建龙等.我国智慧农业研究的现状问题与发展趋势[J].安徽农业科[4]刘丽伟,高中理.美国发展“智慧农业”促进农业产业链变革的做法及启示[J].经济纵[8]阴国富.基于光载无线交换