郭賽球 劉樂

摘 要 針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受自然條件影響較大且難于管理與監(jiān)控等缺點(diǎn)，設(shè)計一種基于STM32的智能農(nóng)場管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光敏電阻檢測當(dāng)前的光照強(qiáng)度，LED燈根據(jù)接收到的光照信息輸出不同強(qiáng)度的燈光進(jìn)行調(diào)節(jié);采用溫度傳感器和濕度傳感器檢測空氣溫度和土壤濕度;利用LCD顯示屏，顯示當(dāng)前檢測的狀態(tài)信息以及系統(tǒng)工作信息;采用自帶FIFO的攝像頭，提高了顯示幀率;該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)場的自動化管理與監(jiān)控為農(nóng)作物提供了一個良好的正常生長環(huán)境。

關(guān)鍵詞 STM32 智能農(nóng)場 傳感器 遠(yuǎn)程管理

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是社會發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)需要大量勞動力的投入，而且受氣候環(huán)境的影響較大。為提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，將當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相融合，用遠(yuǎn)程管理代替農(nóng)民勞作，用自動調(diào)節(jié)彌補(bǔ)自然環(huán)境的不足，利用低成本，高穩(wěn)定性的傳感器對農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，打造一個實(shí)用、簡單、高效的智能農(nóng)場管理系統(tǒng)是解決我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展緩慢的最有效方案。

1總體設(shè)計方案

本設(shè)計采用STM32F103芯片作為主控芯片?？傮w框架由數(shù)據(jù)采集部分、調(diào)節(jié)部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、狀態(tài)顯示部分、管理與操作部分組成，其中數(shù)據(jù)采集與調(diào)節(jié)部分由傳感器、繼電器等IO設(shè)備組成，負(fù)責(zé)檢測當(dāng)前農(nóng)場環(huán)境狀態(tài)并實(shí)時進(jìn)行處理。主控芯片將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過LCD屏幕進(jìn)行顯示，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁操作和紅外遙控可以對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)部分進(jìn)行控制。

2硬件設(shè)計

2.1主控芯片相關(guān)說明

本設(shè)計采用的MCU是STM32F103ZET6，該芯片是具有高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)。芯片采用32位ARM CortexTM_M3內(nèi)核，具有72M的工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHz，具備512K內(nèi)部Flash和高達(dá)64K的SAM。

2.2光照調(diào)節(jié)模塊

本設(shè)計采用的光敏傳感器即光敏二極管，它對光非常敏感。當(dāng)受到光照時，PN結(jié)上形成空穴—電子對，隨著光照強(qiáng)度的增加，空穴—電子對也不斷增加，這時二極管電阻減小，電流增大。當(dāng)光照強(qiáng)度變化時，光敏二極管兩端的電壓也會隨之變化，利STM32F103的ADC檢測二極管兩端的電壓，就能夠判斷外部光線的強(qiáng)弱。

使用定時器TIM3產(chǎn)生PWM輸出到LED。我們使用 TIM3的CH2輸出PWM的占空比來控制LED的亮度，PWM原理當(dāng) CNT 值小于CCRx的時候，IO輸出低電平，當(dāng)CNT 值大于等于CCRx 的時候，IO輸出高電平。

2.3溫度調(diào)節(jié)模塊

DS18B20溫度傳感器采用單總線與主機(jī)通訊。它的測量溫度范圍為-55～+125℃，精度為？.5℃。工作電壓 3～5.5V。在使用時，主機(jī)先輸出一個低電平產(chǎn)生復(fù)位脈沖。然后再進(jìn)入接收應(yīng)答模式，接著在發(fā)送相關(guān)指令。DS18B20的單總線不僅可以讀還可以寫，首先要給它發(fā)送讀存儲器的指令，才能接收到溫度值。加熱裝置采用繼電器控制。

2.4土壤濕度調(diào)節(jié)模塊

土壤濕度傳感器兩個信號輸出端，DO和AO。DO輸出高低電平，AO輸出模擬信號，本設(shè)計采用的是AO端口。該傳感器的比較器采用 LM393芯片，工作穩(wěn)定，工作電壓 3.3V-5V。

傳感器適用于土壤的濕度檢測，傳感器控制板有一個AO端，通過它與STM32F1的ADC相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度精確的數(shù)值。澆水裝置利用繼電器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)。土壤濕度傳感器原理圖，

2.5攝像頭模塊

OV7725是OV（OmniVision）公司生產(chǎn)的圖像傳感器。夠和單片機(jī)完美兼容且具備影像設(shè)備的基本功能。OV7725攝像頭的像素時鐘（PCLK）較高，最高可達(dá)24Mhz，而我們的 STM32F103ZET6處理速度較低，如果IO口直接抓取，是非常困難的，也十分耗費(fèi)CPU。OV7725相機(jī)，不自己抓取來自O(shè)V7725的圖像，而是通過FIFO讀取。該OV7725攝像頭模塊自帶了一個FIFO芯片（AL422B），可以暫存圖像數(shù)據(jù)，攝像頭捕獲畫面后，就會將畫面存入FIFO中，我們再從FIFO中讀取畫面，讀完之后再允許FIFO的寫入。

TFLCD顯示模塊的接口為16位的并口，16位并口傳輸?shù)乃俣容^快，遠(yuǎn)勝于8位的傳輸方式，該顯示屏要傳輸彩色數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量是非常大的。本設(shè)計中我們使用STM32F1的FSMC接口來驅(qū)動TFTLCD顯示屏。

2.6紅外遙控模塊

紅外線遙控通過紅外線傳輸信號，而紅外延直線傳播，不能避過障礙物，所以一般不會出現(xiàn)干擾現(xiàn)象。紅外遙控價格低廉，功耗低，而且對環(huán)境沒有影響，目前在家用領(lǐng)域已經(jīng)非常普及。本設(shè)計中我們利用 STM32F1的輸入捕獲，將捕獲的電平對照協(xié)議進(jìn)行解碼，并將解碼后的鍵值 對應(yīng)一個系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)遙控操作的目的。

2.7以太網(wǎng)模塊

DM9000是本設(shè)計網(wǎng)絡(luò)模塊的以太網(wǎng)芯片，它具有性價比高、低功耗、引腳少、集成度高等特點(diǎn)。

DM9000是通16位數(shù)據(jù)總線，掛在STM32的FSMC上面，DM9000的片選由FSMC_NE2 控制，CMD則由FSMC_A7控制。這個連接方法，類似于TFTLCD顯示，總共用到了22個IO口。

3軟件設(shè)計

3.1主程序流程及相關(guān)說明

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行各個模塊的初始化配置，包括GPIO口的初始化配置和相關(guān)寄存器的初始化配置。在主循環(huán)中通過傳感器檢測的不斷獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù)，刷新LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)。如果收到來自紅外遙控或網(wǎng)頁發(fā)來的指令，則執(zhí)行響應(yīng)指令。如果系統(tǒng)處于手動模式，則無操作，進(jìn)入循環(huán)，重新檢測數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)處于自動模式，則根據(jù)當(dāng)前環(huán)境值調(diào)節(jié)LED、加熱及灌溉裝置，使光照、溫度、土壤濕度始終處于穩(wěn)定中，進(jìn)入循環(huán)，重新檢測數(shù)據(jù)。

3.2光照自動調(diào)節(jié)模塊

Lsens_Init函數(shù)用于初始化光敏傳感器，設(shè)置PF8為模擬輸入，然后通過Adc3_Init函數(shù)初始化ADC3_CH6。Lsens_Get_Val函數(shù)用于獲取當(dāng)前光照強(qiáng)度，該函數(shù)通過Get_Adc3得到ADC3_CH5轉(zhuǎn)換的電壓值，每次獲取光照強(qiáng)度的時候，為使數(shù)值準(zhǔn)確可靠，每次獲取10次電壓值，并求出平均值，STM32的ADC為12位，ADC3->DR寄存器所返回的值最大為65535，經(jīng)過簡單量化后，處理成0～100的光照值。0對應(yīng)最暗，100對應(yīng)最亮。

3.3溫度自動調(diào)節(jié)模塊

在初始化DS18B20時，先初始化GPIO口，隨即使用DS18B20_Rst函數(shù)復(fù)位一次。在需要獲取溫度時，使用DS18B20_Get_Temp函數(shù)進(jìn)行采集。首先通過單總線發(fā)送指令，開始溫度轉(zhuǎn)換;然后為避免錯誤，進(jìn)行復(fù)位;然后等待DS18B20的回應(yīng);檢測到DS18B20的存在，即收到回應(yīng)后;再向DS18B20發(fā)送讀取溫度的指令，此時DS18B20就會通過單總線發(fā)送出具體溫度值。

3.4濕度自動調(diào)節(jié)模塊

本模塊通過STM32F1的ADC11檢測土壤濕度傳感器的電壓值，從而獲取濕度值。首先進(jìn)行ADC初始化，然后進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)化，得到濕度值。

3.5攝像頭模塊

OV7725_Init函數(shù)先初始化OV7725相關(guān)的IO口，包括ov7725_init_reg_tbl函數(shù)完成OV772的寄存器序列初始化。

攝像頭捕獲畫面后產(chǎn)生幀中斷，幀中斷到來后，判斷ov_sta是否為0，如果是0，說明可以往FIFO里面寫入數(shù)據(jù)，執(zhí)行復(fù)位FIFO寫指針，并允許FIFO寫入，此時，AL422B 將從地址0開始，存儲新一幀的圖像數(shù)據(jù)。然后ov_sta++，標(biāo)記新的一幀數(shù)據(jù)正在存儲中。如果ov_sta不為0，說明之前存儲在FIFO里面的一幀數(shù)據(jù)還未被讀取過，直接禁止FIFO寫入，STM32 只需要判斷ov_sta是否大于0，來讀取FIFO里面的數(shù)據(jù)，讀完一幀后，設(shè)置 ov_sta為0，以免重復(fù)讀取，同時還可以使能FIFO新幀的寫入。

3.6顯示模塊

開機(jī)后通過LCD_Init函數(shù)對TFTLCD進(jìn)行初始化，初始化的第一步是將LCD所連接的GPIO口進(jìn)行初始化，然后再配置STM32知道的FSMC，因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^FSMC向TFTLCD寫入數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行顯示。配置好PSMC后再進(jìn)行TFTLCD模塊的配置。通過向LCD的控制器寫入由廠家提供的初始化序列，即可初始化成功。

3.7紅外遙控模塊

首先用Remote_Init函數(shù)初始化 IO 口，并配置TIM4_CH4為輸入捕獲，當(dāng)紅外接收頭接收到信號后，就會觸發(fā)定時器4產(chǎn)生中斷。在中斷函數(shù)中捕獲到信號后，將其解析后將值傳給RmtRec。

3.8 web server模塊

在移植好LWIP后，使用lwip_comm_init函數(shù)進(jìn)行初始化，包括LWIP和DM9000以太網(wǎng)模塊的初始化，使用httpd_init開啟web server模式。在主循環(huán)中用lwip_periodic_handle和lwip_pkt_handle這兩個函數(shù)輪詢?nèi)蝿?wù)和接收數(shù)據(jù)。

采用CGI技術(shù)和SSI技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)頁控制。使用CGI，首先要定義ppcURLs數(shù)組，該數(shù)組定義了我們在html插入的標(biāo)簽。編寫CGI_Handler處理函數(shù)，接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行相應(yīng)的處理。使用SSI，也要定義SSI的Tag數(shù)組，該數(shù)組定義了我們在html插入的標(biāo)簽。編寫SSIHandler處理函數(shù)，在函數(shù)中處理準(zhǔn)備加到html中的數(shù)據(jù)。最后在使用時我們需要調(diào)用httpd_cgi_init函數(shù)和httpd_ssi_init函數(shù)進(jìn)行CGI句柄初始化和SSI句柄初始化。

4測試結(jié)果與分析

基于STM32的智能農(nóng)場管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)用戶可通過網(wǎng)頁端以及紅外遙控進(jìn)行操控。在實(shí)驗(yàn)過程中通過模擬農(nóng)場自然環(huán)境對系統(tǒng)的功能及性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如下：

（1）自動模式下，功能測試時系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定值與自然環(huán)境變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié);

（2）通過瀏覽器登錄網(wǎng)頁系統(tǒng)可看到各傳感器檢測的數(shù)值，數(shù)據(jù)刷新率為3s刷新一次，可同時多用戶訪問web服務(wù)器，網(wǎng)頁控制正常;

（3）紅外遙控控制有效距離為5m，系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)后蜂鳴器發(fā)出響聲作為回應(yīng);

（4）攝像頭畫面刷新率為15幀左右，幀率稍慢，可通過調(diào)整分辨率以及提高硬件性能進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過以上測試及分析得出，該系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)行正常，傳感器數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，控制無誤，基本符合系統(tǒng)設(shè)計需求。

5結(jié)束語

本次設(shè)計的智能農(nóng)場系統(tǒng)考慮到實(shí)際應(yīng)用的基本條件和環(huán)境，因此具有很強(qiáng)的使用新以及很高的應(yīng)用價值。本設(shè)計采用的STM32芯片應(yīng)用場景廣泛，具有高效低耗的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出色。本系統(tǒng)不僅擁有自動模式，能夠?qū)崿F(xiàn)空氣溫度自動調(diào)節(jié)、土壤濕度自動調(diào)節(jié)、光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié);而且還有手動模式，能夠在特殊條件下進(jìn)行手動控制;而且還可以遠(yuǎn)程管與控制。

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