李联鑫，梁冀，林雪琼，李才懿
（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）
0 引言
目前，我国农业当前情况是“大国小农”，农业产业正面临着从业人员不足，老龄化，农业用地逐渐下降等问题，农业生产也面临越来越多的挑战。自党的第十三届人民代表大会常务委员会之后，我国就开始全面实施乡村振兴战略，同时农业也进行了全面升级，打破了传统的农业生产模式，向新型的智慧农业转变，加快了农业现代化的建设。在智慧农业中，农业大棚是近年来备受欢迎的一个重点发展研究方向，研究人员通过对农业大棚进行设计，根据农作物的生长需求，设定大棚内的适合农作物成长的生态环境，以提高农作物的生产量。为实现面向农业大棚的物联网监测系统的开发，利用多样传感器、通信网络与手机APP 分别完成大棚生态参数的采集、数据终端、监测平台的组建，可对农业大棚内的环境变量进行实时的采集、传输和监测，同时也可通过手机App 对设备进行修改与调整，为农作物提供更好的生态环境的同时，也彻底减轻了农业从事人员的工作负担。
1 研究内容
农业大棚环境参数实时监测系统是以STM32 单片机为核心硬件，结合多参数物联网技术的检测调节系统，通过温湿度处理模块、光照监测模块、空气烟雾检测模块、土壤监测模块、大气压监测模块、紫外线检测模块、风速检测模块对大棚的各个环境参数进行采集，并传送至控制核心，核心硬件对数据进行分析并处理，将处理后的数据上传至物联网云平台，通过手机APP 远程监控农业大棚内各个参数及设备控制，从而实现更加精细化、智能化的农业生产。
为了实现上述条件，本系统将从以下几个方面进行研究。
（1）总体架构设计。为了能够给农作物提供更加合理的生长环境，系统需要对农业大棚进行合理的架设，选择合适的供电方式，使其能更高效且经济地为棚内各个模块供电。由于采集的环境参数多种多样，因此需要建立有效的监测控制系统，自动控制大棚内的各个设备，能够根据需要实时开启或者关闭指定设备，根据需求调节棚内的各个参数，为农作物提供更舒适的生长环境。
（2）传感信息采集。采用各个模块组成数据采集系统，主要负责大棚内空气温度、湿度、光照强度，土壤湿度、水分以及CO2浓度等环境参数实时采集和传输。针对采集数据的参数建立适合的传输方式，使其能准确上传、存储数据。根据上传数据，控制核心可以根据传输的数据，调节农作物最佳的生长环境。
（3）监测平台的选择。为了保证数据的安全性和用户的操作便利性，增强用户体验感，建立一款安全、可靠、便捷的监测数据平台是十分必要的，可以方便用户随时随地查询农作物的环境参数。
2 设计方案
基于STM32 的物联网大棚农作物生长环境监测系统由硬件和软件相结合设计完成，硬件部分由STM32 主控模块、温湿度处理模块、液晶显示模块、光照监测模块、语音播报模块、可燃气体检测模块、土壤监测模块、大气压监测模块、紫外线检测模块组成。软件部分主要完成STM32 的对传感器采集的环境数据处理及云平台的连接和手机App相结合，负责各项数据的监测和控制各个设备，实现对大棚内各种参数的实时监测和调整，系统设计总体框图如图1 所示。
图1 系统设计总体框图
3 硬件设计
智慧农业大棚系统的电路原理图如图2 所示，主要由STM32、与WiFi 模块以及多个传感器模块组成。
图2 电路原理图
图3 BH1750 光照检测模块
图4 MQ-2 烟雾检测模块
图5 大气压强检测模块
■3.1 主控模块
STM32F103C8T6 是ST 公司生产的Cortex-M 3 处理器内核的 32 位微控制器，具有高效能、低能量消耗、低电压，丰富的通信接口等特点。基于STM32 系统的各个性能和STM32F103C8T6 芯片的特点，本设计采用STM32F103C8T6 作为主控对农业大棚的内部环境检测以及设备的控制，辅助由电容，电感形成的外部晶振电路形成单片机的系统时钟电路，保证其能正常工作，以便对采集后的数据上传至云平台。
■3.2 BH1750 光照检测模块
光照传感器采用BH1750。BH1750 内部由photodiode、OPAMP、ADC 采集、Oscillator 组成，其主要通过透入光窗的光来判断光照大小，即进入的光线越强，产生的电流越大，电压就越大。在通讯方面，当STM32 单片机与BH1750 相连时，BH1750 不做电平转换便可将数据传输到主控模块上，单片机通过I2C 协议与光照传感器通讯，进而将其中寄存器中得到的光照度信息获取出来。
■3.3 MQ-2 烟雾检测模块
烟雾传感器采用MQ-2。MQ-2 是一种SnO2表面离子式N 型半导体材料，是一种用途广泛、性价比高且操作简单的现代集成传感器，常用于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。在周围环境温度为200℃～300℃时，其二氧化锡σ 会发生改变，当烟雾密度越大，σ 越大，电流在电路中的阻碍程度会更小，能够更顺利地流过电路，输出的模拟信号会增大，从而监测到烟雾的存在信息。可以根据这一特性，对大棚内的气体监测，当大棚内出现有害气体且不利于农作物生长的气体时，传感器就会发出报警信号，提醒用户。
■3.4 紫外线检测模块
紫外线传感器采用CJMCU-GUVA-S12SD。CJMCUGUVA-S12SD 由氮化镓材料的肖特总类的光敏二极管组成，适用于光电模式。该传感器原理为，利用光敏元器件通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号，输出的电流与光照强度成正比。其光谱的监测范围为240～370nm，很好的适用于太阳光中的紫外线监测，同时具有的线性好、灵敏度高、稳定性强、功耗低等特点。
■3.5 大气压强检测模块
大气压传感器采用BMP280。BMP280 是由压电压力传感单元、信号处理电路、模数转换器组成，其主要工作在1.9～3.6V 的电压下。工作原理为让BMP280 的自带的压力传感单元，经过ADC 采样导入到校正存储器，经由I2C 通信协议读出气压值，气压测量的范围为300hPa～1100hPa，最大误差为±1hPa，基本满足系统对大棚内部气压的监测要求。
■3.6 土壤湿度检测模块
土壤湿度传感器采用YL-69。YL-69 工作在DC3.3-5V的电压下，其工作原理为湿敏电容，当环境的湿度发生改变时，土壤湿度检测模块的输出电压值也会随着土壤的湿度变化，通过ADC 采集电压进行数值换算。
■3.7 语音播报模块
语音播报模块采用CN-TTS。CN-TTS 是一款可实现高集成度的语音组成模块，可以完成中、英、数字的语音拼合。该模块通过TTL 串口发送GBK 编码的方式与单片机的IO口相连，根据系统的需求编写适合的软件程序完成相应命令词或者提示音写入，当触发到单片机指定的指令，其就会直接输出至4Ω3W/8Ω2W 的喇叭，进行相应的语音播报，此模块在农业大棚内起到很好的提示作用。
4 系统软件设计
软件部分主要是对STM32F103C8T6 单片机进行编程控制、手机APP开发并编程，以便实现系统各监控参数的采集、传输、监控和设备的控制，并通过手机APP 远程监控农业棚内的各项数据，系统设计的总程序流程图如图6 所示。
图6 程序流程图
■4.1 STM32 软件设计
本模块旨在通过对主控模块的程序设计来执行对各个模块采集数据的收发与环境参数的调节，首先将系统初始化连接上WiFi 后，单片机将会通过串口和I2C 通信以及ADC采集获取传感器数据，并将其可视化到显示屏上，之后采集装置采集到的数据经过单片机处理和分析后通过MQTT 协议与ONENET 平台相连，将检测到的数据可以上传并存储到物联网平台后，使得手机可以在APP 云平台上获取到各模块数据。
■4.2 移动端软件的设计
系统设计了一款APP，用户能更方便地了解大棚内的环境参数以及根据实际需要对大棚内进行设备的控制。为了实现手机APP 与单片机之间的数据交换，本设计通过WiFi连接ONENET 云平台，APP 通过GET 指令获取云平台的产品设备API 的数据，通过解析获取到的数据得到单片机上传至云平台的各项传感器数据，获取数据成功之后就手机APP界面就显示农业大棚内监测到的各项的环境参数，同时也可以对各个设备进行控制，使其农作物的生长环境处于最佳状态，设计的手机APP 显示界面如图7 所示。
图7 手机APP 运行效果图
图8 上位机监测界面
图9 物联网环境监测的农业大棚实物图
5 系统的实物图及系统测试
经调试结果得到，物联网环境监测下的农业大棚中的各种传感器正确地将各种数据传输到了图10 实物显示屏监测界面上，而实物显示屏监测界面也直观无误地显示出传感器传输的数据，并将数据传输到上位机监测界面的显示屏上，达到足不出户便可掌控大棚内生态环境的功能，实现了智慧农业大棚，传感器采集的数据在监测界面里一目了然，上位机监测界面直观地显现出了温湿度、土壤、光照以及各种数据，便于后续合理利用资源，达到提高农作物的质量与采收。
图10 实物显示屏监测界面
6 结束语
基于物联网环境监测的农业大棚是智慧农业在未来发展的一个重点领域，是实现农业现代化和乡村振兴战略目标的重要一步。通过智能的农业大棚能够有效地改善农作物生态环境，且通过收集大棚环境参数信息，并适当控制和调整相关参数信息，为农作物提供最适宜的生长环境，合理利用资源，从而提高生产效率。本设计了完成的物联网开放平台与数据采集装置配合完成的农业监测系统，能够实时有效监测大棚内的温度、湿度、光照强度、CO2浓度等生长环境参数进行实时监测和控制，该农业大棚环境参数监测系统具有开发成本低、生产周期短、部署简单且用户可随时通过手机APP 实时获取农作物生长环境信息等优点。在传统农业的基础上，应用信息技术，传感技术，物联网技术等手段来改善和优化农业大棚环境参数监测系统，为实现农业生产的高效化、智能化和可持续化发展提供了一定的基础。
