河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 iii2功能與設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)功能要求該智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)需要具備以下功能特性：完整的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，包含土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度與PH值等生長關(guān)鍵參數(shù)；多種環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理；直觀顯示界面，使用戶能夠了解當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)；支持設(shè)定關(guān)鍵參數(shù)閾值并提供超出范圍預(yù)警；通過NB-IoT技術(shù)上傳采集的數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)；低功耗，適合農(nóng)田長期部署；操作簡單直觀，農(nóng)業(yè)從業(yè)人員可迅速使用；具備擴(kuò)展性，可依據(jù)需要增加其他監(jiān)測(cè)內(nèi)容。這些功能特性使系統(tǒng)能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供可靠支持，助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理的實(shí)現(xiàn)。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為設(shè)計(jì)依據(jù)，整體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、處理層、顯示層和傳輸層，多種傳感器組成數(shù)據(jù)采集部分，負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，包括DHT11溫濕度、光敏電阻光照強(qiáng)度、KQ-2801CO2傳感器，同時(shí)PH值模塊也包含在傳感器組成中，單片機(jī)在數(shù)據(jù)處理層完成傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)任務(wù)，比如采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等，同時(shí)支持參數(shù)閾值和越限判斷功能的設(shè)置。顯示數(shù)據(jù)層使用OLED顯示屏，與三個(gè)獨(dú)立按鍵結(jié)合構(gòu)建人機(jī)交互界面，這不僅顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，也支持用戶完成閾值設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸部分采用BC26NB-IoT模塊，定期通過MQTT協(xié)議把環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。Type-C接口為系統(tǒng)供電，方便連接外部電源，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能單元借助標(biāo)準(zhǔn)接口連接，便于維護(hù)與擴(kuò)展。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對(duì)比2.3.1單片機(jī)的選擇方案一：STC89C52是經(jīng)典的8051架構(gòu)單片機(jī)，具有成熟且穩(wěn)定的特點(diǎn)，該單片機(jī)采用8位CPU，主頻可達(dá)12MHz，內(nèi)置8KBFlash程序存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM，具有3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串口和4個(gè)8位I/O口。STC89C52編程簡單，開發(fā)環(huán)境成熟且資料豐富，適合入門級(jí)電子項(xiàng)目開發(fā)，不足的是運(yùn)算速度較慢、內(nèi)存空間有限、外設(shè)功能也較少，難以滿足復(fù)雜應(yīng)用需求，對(duì)本系統(tǒng)需要連接多個(gè)傳感器并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示的要求，這些性能和資源明顯不足[9]。方案二：STM32F103是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，主頻達(dá)到72MHz，內(nèi)設(shè)64KBFlash程序存儲(chǔ)器以及20KBSRAM，外設(shè)資源相當(dāng)豐富，包含2個(gè)12位ADC轉(zhuǎn)換器、3個(gè)通用定時(shí)器與1個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)I2C接口、3個(gè)USART接口、2個(gè)SPI接口，GPIO引腳多達(dá)37個(gè)。各種外設(shè)和資源的配備為具體使用和控制微控制器時(shí)進(jìn)行各種任務(wù)的處理與管理，提供了豐富的接口和控制邏輯，同時(shí)，微控制器的存儲(chǔ)資源和處理資源使它在應(yīng)對(duì)任務(wù)處理中具有相當(dāng)?shù)闹ΑTM32F103在性能與功耗比的對(duì)比中具有不俗的特征，多種低功耗模式為電池供電應(yīng)用的使用前提下提升了可選擇性，多路傳感器數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法執(zhí)行都離不開它豐富的硬件資源與強(qiáng)大的處理能力，本系統(tǒng)需要連接傳感器、顯示屏、NB-IoT模塊等多模塊，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，這些要求與STM32F103的硬件資源和能力特征完全對(duì)等，最終選擇作為主控制器進(jìn)行使用[10]。2.3.2溫濕度檢測(cè)模塊選型方案一：SHT11傳感器為Sensirion公司產(chǎn)品，可提供高精度溫濕度信號(hào)的數(shù)字輸出，溫度量程在-40℃~+123.8℃范圍，精度保持在±0.4℃；相對(duì)濕度測(cè)量范圍達(dá)到0~100%RH，精度控制在±3%RH。內(nèi)置14位ADC轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)輸出前完成校準(zhǔn)，穩(wěn)定且響應(yīng)迅速，采用I2C總線通信設(shè)計(jì)，集成度較高，但SHT11單顆價(jià)格成本在50元以上，封裝為非標(biāo)準(zhǔn)形式，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加[11]。方案二：DHT11傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含電阻式濕度測(cè)量計(jì)與NTC溫度檢測(cè)計(jì)，其溫濕度測(cè)量范圍和精度也具有明顯的特征，溫度測(cè)量可達(dá)到的范圍為0℃~50℃，但精度僅保持在±2℃；濕度測(cè)量范圍為20%~90%RH，精度控制在±5%RH。該傳感器采用單總線通信協(xié)議，其數(shù)據(jù)接口簡化為一根數(shù)據(jù)線即可完成單片機(jī)通信任務(wù)，在成本上，單顆價(jià)格在10元左右，驅(qū)動(dòng)代碼成熟且接口簡單，適合普通應(yīng)用環(huán)境。雖然與SHT11對(duì)比，該傳感器在測(cè)量精度和響應(yīng)速度的對(duì)比中不具有優(yōu)勢(shì)，但農(nóng)業(yè)環(huán)境對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)要求一般化，其測(cè)量范圍滿足常規(guī)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，考慮到溫濕度檢測(cè)模塊需同時(shí)滿足測(cè)量范圍、成本控制和電路簡化等要求，DHT11作為傳感器選擇存在其優(yōu)勢(shì)，具有明顯的應(yīng)用特征，最終完成該模塊選擇[12]。2.3.3顯示模塊的選型方案一：LCD1602字符液晶顯示模塊，通?？娠@示16×2的字符，總字符數(shù)為32個(gè)，它借助標(biāo)準(zhǔn)HD44780控制器進(jìn)行管理，接口形式簡單，與單片機(jī)的連接一般采用并行或I2C接口。此類模塊在成本、編程和功耗的特征中都保持在適中且可控制的層次，適于對(duì)文字、數(shù)字信息進(jìn)行顯示，但LCD1602無法應(yīng)對(duì)顯示內(nèi)容的不足愈加具體化，比如僅適合有限字符與內(nèi)容顯示，圖形化輸出效果也完全無法完成，顯示的對(duì)比度存在使用依賴的視角和光線環(huán)境的因果要求，強(qiáng)光下可視性也存在缺陷與不足[13]。方案二：OLED顯示屏采用自發(fā)光技術(shù)，無需背光源，具有高對(duì)比度、寬視角和響應(yīng)速度快等特征，本系統(tǒng)使用基于SSD1306控制器的0.96英寸OLED模塊，分辨率為128×64像素，支持I2C通信接口。文字、數(shù)字和簡單圖形可以顯示在OLED顯示屏中，內(nèi)容豐富，在各種光線條件下均有良好的可視性，雖然OLED顯示屏成本高于LCD1602（約15-25元），但考慮到系統(tǒng)需要在多種環(huán)境條件下清晰顯示參數(shù)信息，且OLED顯示屏能耗低、體積小，顯示效果也具有優(yōu)點(diǎn)[14]。5系統(tǒng)的測(cè)試3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1STM32F103C8T6單片機(jī)本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6作為主控制器，該芯片為ST公司基于ARMCortex-M3內(nèi)核開發(fā)的32位微控制器。LQFP48封裝形式下，最高工作頻率達(dá)到72MHz，F(xiàn)lash和RAM的資源量為64KB與20KB，GPIO引腳可達(dá)37個(gè)，外設(shè)資源也相當(dāng)豐富。系統(tǒng)采用外部8MHz晶振作為STM32F103的主時(shí)鐘源，借助內(nèi)部PLL倍頻至72MHz，板載配置包含32.768KHz低速晶振，用于RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能。電源部分通過XC6206穩(wěn)壓芯片將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，為單片機(jī)與外設(shè)提供穩(wěn)定電源，電路設(shè)計(jì)中復(fù)位電路和Boot選擇電路同時(shí)存在，方便程序下載及系統(tǒng)重置[15]。單片機(jī)的PA0-PA7配置為ADC輸入通道，采集模擬傳感器信號(hào)；PA9和PA10作為串口1（USART1）引腳與NB-IoT模塊連接；PB14和PB15配置為I2C接口后連接OLED顯示屏；PA7與DHT11溫濕度傳感器連接；光敏電阻光照強(qiáng)度傳感器連接在PA6；PH值采集模塊連接在PA5；CO2傳感器連接在PA4；三個(gè)獨(dú)立按鍵連接在PB3、PB4、PB5，完成人機(jī)交互。STM32F103單片機(jī)在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制功能，傳感器數(shù)據(jù)定時(shí)采集、數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換、顯示控制、按鍵響應(yīng)、參數(shù)閾值設(shè)置與判斷等任務(wù)都通過它完成，串口通信也離不開它，單片機(jī)借助串口與NB-IoT模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到云平臺(tái)的發(fā)送。系統(tǒng)使用定時(shí)器中斷方式，精確的時(shí)間控制和定時(shí)任務(wù)觸發(fā)功能就通過它實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)上電之后，完成外設(shè)初始化，進(jìn)入主循環(huán)，按鍵檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、顯示更新和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)在主循環(huán)中循環(huán)進(jìn)行。STM32F103在系統(tǒng)中處理能力和外設(shè)資源的充分發(fā)揮，為穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。其豐富的外設(shè)資源與強(qiáng)大的處理性能，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的可靠保障性完全顯示。圖3.1STM32F103C8T6單片機(jī)接線情況3.2DHT11溫濕度傳感器DHT11為數(shù)字溫濕度傳感元件的組合體，內(nèi)部包含精度高且采用電阻式結(jié)構(gòu)的濕度測(cè)量部分，同時(shí)集成了NTC溫度傳感部分，借助單總線形式的數(shù)字接口輸出校準(zhǔn)處理后的溫濕度數(shù)據(jù)。封裝形式采用4針腳結(jié)構(gòu)，具體包括VCC供電引腳、DATA數(shù)據(jù)線引腳、NC空腳引腳和GND接地引腳。本系統(tǒng)中DHT11與STM32F103的PA7引腳進(jìn)行連接，采用單總線通信[16]。單總線通信協(xié)議存在特定的時(shí)序要求，MCU發(fā)送起始信號(hào)時(shí)將總線拉低至少18ms然后釋放，DHT11檢測(cè)到起始信號(hào)之后發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，低電平和高電平持續(xù)時(shí)間都為80μs，之后傳輸40位數(shù)據(jù)，這40位數(shù)據(jù)包含8位濕度整數(shù)部分、8位濕度小數(shù)部分、8位溫度整數(shù)部分、8位溫度小數(shù)部分和8位校驗(yàn)和，每一位數(shù)據(jù)傳輸包含50μs低電平起始位和26μs到70μs的高電平，高電平持續(xù)時(shí)間決定數(shù)據(jù)是0還是1，26μs到28μs表示0，70μs表示1[17]。系統(tǒng)軟件借助精確的延時(shí)函數(shù)完成對(duì)DHT11時(shí)序的管理與數(shù)據(jù)采集任務(wù)，程序定義了DHT11_Read_TempAndHumidity()函數(shù)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的讀取。該函數(shù)每500ms調(diào)用一次，用以獲取溫濕度的最新的相關(guān)數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在全局變量temp中，濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在humi中，采集的這些數(shù)據(jù)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)和顯示中。DHT11傳感器為系統(tǒng)提供了溫濕度相關(guān)準(zhǔn)確信息，溫度測(cè)量范圍在0℃-50℃，濕度范圍20-90%RH，溫度精度達(dá)到±2℃，濕度精度達(dá)到±5%RH，這些具體指標(biāo)準(zhǔn)滿足了農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)它使用3.3V供電，靜態(tài)電流可控制在60μA，低功耗特征使它在低功耗的農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中可以滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制的需求。圖3.2DHT11溫濕度傳感器3.3OLED顯示模塊本系統(tǒng)采用0.96英寸的OLED顯示模塊作為人機(jī)交互界面，基于SSD1306控制芯片，分辨率為128×64像素，使用了I2C通信接口。OLED顯示屏無需背光源，同時(shí)具有自發(fā)光特性，視角寬廣且顯示效果鮮明，適合在各種光線環(huán)境下使用。OLED模塊采用4針引腳結(jié)構(gòu)，包含GND、VCC、SCL和SDA，這4針在系統(tǒng)中與相關(guān)引腳連接后，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)I2C通信接口，SCL與STM32F103的PB15連接，SDA與PB14連接，OLED顯示屏工作電壓為3.3V，與STM32F103電平兼容，無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)軟件中包含了一系列OLED相關(guān)函數(shù)，具體包括OLED_Init()、OLED_Clear()、Oled_ShowCHinese()、Oled_ShowString()和OLED_ShowNum()等，這些函數(shù)通過I2C接口向SSD1306控制器發(fā)送命令與數(shù)據(jù)，完成對(duì)顯示內(nèi)容的控制。OLED_Init()實(shí)現(xiàn)初始化，OLED_Clear()處理清屏，Oled_ShowCHinese()與Oled_ShowString()和OLED_ShowNum()實(shí)現(xiàn)顯示中文、字符串和數(shù)字，發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的處理通過I2C接口進(jìn)行，與SSD1306控制器完成顯示內(nèi)容的管理。OLED顯示屏在系統(tǒng)中承擔(dān)多個(gè)顯示界面的任務(wù)，flag_display變量的值在0-10間，不同值時(shí)顯示內(nèi)容不同：界面0用于顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度與PH值，同時(shí)顯示異常警告；界面1到界面10用于對(duì)各參數(shù)上限與下限閾值進(jìn)行設(shè)置，用戶借助按鍵在不同界面切換并調(diào)整參數(shù)設(shè)置。OLED顯示模塊的使用提升了系統(tǒng)的可視化與交互體驗(yàn)，使用戶能夠直觀了解環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，操作管理也愈加便于進(jìn)行，這在顯示效果和控制體驗(yàn)的層次中都提高了相關(guān)要求，強(qiáng)化了具體使用時(shí)的直觀特征和操作的可控制特征，同時(shí)，系統(tǒng)的使用狀態(tài)在顯示輸出階段可達(dá)到參數(shù)和狀態(tài)表達(dá)的直觀性表達(dá)，提升了具體化表達(dá)與用戶操作的可識(shí)別性。圖3.3OLED顯示模塊3.4PH值采集傳感器模塊土壤酸堿度的重要指標(biāo)為PH值，它與作物養(yǎng)分吸收、土壤微生物活性存在直接影響。本系統(tǒng)使用專業(yè)的PH值采集傳感器模塊，模擬電壓輸出可反映土壤PH值。PH傳感器模塊采用6針設(shè)計(jì)，包含VCC、GND、PO、DO、TO四個(gè)有效引腳，這些引腳在模塊中完成供電、接地、輸出和補(bǔ)償?shù)热蝿?wù)，本系統(tǒng)中，PO引腳輸出的模擬電壓連接到STM32F103的PA5引腳，該引腳為ADC通道，模塊要求工作電壓為5V，模擬輸出電壓范圍在0-3.3V。STM32F103借助ADC完成PH傳感器模擬電壓的采集，系統(tǒng)中dong_get_adc()函數(shù)用于讀取ADC值。計(jì)算PH值時(shí)，初始PH_value為通過ADC讀數(shù)換算的電壓值（ADC讀數(shù)/4095.0*3.3），公式為PH_value=-5.8887*PH_value+21.677，公式是實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出的，它在傳感器輸出電壓與實(shí)際PH值之間的線性關(guān)系中建立了關(guān)系式。系統(tǒng)中設(shè)置了PH值的上限閾值（PH_H）與下限閾值（PH_L），檢測(cè)到的PH值超出范圍時(shí)，異常警告（beep_flag=4）會(huì)觸發(fā)。用戶在界面7和界面8分別進(jìn)行PH值上限和下限閾值的設(shè)置。PH值數(shù)據(jù)采集周期為500ms，與環(huán)境參數(shù)同步更新。采集到的PH值數(shù)據(jù)用于本地顯示和異常判斷，通過NB-IoT模塊定期上傳至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)中的PH值采集傳感器模塊可對(duì)土壤酸堿度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土壤管理提供了重要依據(jù)，模塊的使用使土壤酸堿度的監(jiān)測(cè)能力在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高了層次。圖3.4PH值采集傳感器模塊3.5KQ-2801型CO2傳感器CO2濃度對(duì)植物光合作用影響顯著，適宜濃度提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。KQ-2801CO2傳感器模塊在本系統(tǒng)中用于監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境的二氧化碳濃度，模塊選用與作物質(zhì)量產(chǎn)量的提高存在重性。KQ-2801傳感器模塊為4針結(jié)構(gòu)，包含VCC供電、GND接地、DO數(shù)字輸出與AQ模擬輸出，系統(tǒng)中AQ引腳的模擬電壓輸出為設(shè)計(jì)主要使用部分，該引腳連接到STM32F103的PA4引腳，對(duì)應(yīng)ADC通道，傳感器工作電壓為5V，AQ引腳輸出0-3.3V電壓范圍，該電壓范圍與CO2濃度范圍存在對(duì)應(yīng)性。STM32F103借助ADC對(duì)CO2傳感器輸出的模擬電壓進(jìn)行采集，之后依據(jù)公式CO2=(adc_buf[1]/4095.0)*98+1，將ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為CO2濃度值。公式里的系數(shù)根據(jù)傳感器規(guī)格與實(shí)際測(cè)試標(biāo)定，把0到4095的ADC讀數(shù)映射到1到99的CO2濃度范圍，單位可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用定義。系統(tǒng)中CO2濃度存在上限閾值（CO2_H）與下限閾值（CO2_L）的設(shè)置，檢測(cè)到的CO2濃度超出閾值范圍時(shí)，異常警告（beep_flag=3）會(huì)觸發(fā)。界面5和界面6分別可使用戶進(jìn)行CO2濃度上限與下限閾值的設(shè)置。CO2濃度數(shù)據(jù)的采集周期為500ms，與溫濕度等參數(shù)同步更新。采集到的數(shù)據(jù)在本地顯示界面0中的"CO2:xx"部分，同時(shí)用于異常判斷，且通過NB-IoT模塊定期上傳至云平臺(tái)。KQ-2801CO2傳感器在系統(tǒng)中完成環(huán)境二氧化碳濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境控制可依據(jù)它生成的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行。此類傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反應(yīng)，且生成的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以為環(huán)境控制的依據(jù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理也借助監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)估并施加控制。圖3.5KQ-2801型CO2傳感器3.6光照強(qiáng)度傳感器光照強(qiáng)度與植物光合作用存在直接影響，這使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)使用光敏電阻作為傳感器，通過電阻值的測(cè)量變化可反映環(huán)境光照強(qiáng)度。光敏電阻借助光電效應(yīng)工作，光照強(qiáng)度的增加使電阻值減小，光照減弱時(shí)電阻值增大，電路設(shè)計(jì)中，光敏電阻與一個(gè)10KΩ固定電阻形成分壓電路，分壓點(diǎn)連接到STM32F103的PA6引腳（ADC通道），3.3V電源下，光敏電阻和分壓電阻共同輸出0-3.3V的電壓范圍。STM32F103借助ADC對(duì)分壓點(diǎn)的電壓值進(jìn)行采集，通過公式lg_value=(adc_buf[2]/4095.0)*100把ADC讀數(shù)轉(zhuǎn)換為光照強(qiáng)度值，轉(zhuǎn)換公式將ADC讀數(shù)范圍0到4095映射到光照強(qiáng)度范圍0到100，單位為百分比，這表示相對(duì)光照強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換公式在映射時(shí)存在單位的轉(zhuǎn)換，光照強(qiáng)度范圍與ADC讀數(shù)范圍存在映射邏輯，ADC讀數(shù)范圍通過公式映射后，表示為相對(duì)的光照強(qiáng)度范圍。系統(tǒng)中設(shè)置了光照強(qiáng)度的上限閾值（td_H）與下限閾值（td_L），檢測(cè)到的光照強(qiáng)度超出范圍時(shí)，異常警告（beep_flag=5）會(huì)觸發(fā)，界面9和界面10分別可對(duì)上限與下限閾值進(jìn)行設(shè)置，用戶借助這些界面完成相關(guān)閾值的輸入與管理，使系統(tǒng)在檢測(cè)到異常值時(shí)迅速反應(yīng)，處理光照強(qiáng)度的閾值管理與檢測(cè)，具體行為在超出范圍時(shí)的警告觸發(fā)中，系統(tǒng)對(duì)光照異常反應(yīng)的控制同樣強(qiáng)化了對(duì)光照值的監(jiān)測(cè)與監(jiān)管。光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集周期為500ms，與環(huán)境參數(shù)同步更新。采集的數(shù)據(jù)用于本地顯示（界面0的“光強(qiáng):xx”部分）和異常判斷，且通過NB-IoT模塊定期上傳至云平臺(tái)。環(huán)境光照條件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)離不開光照強(qiáng)度傳感器，它在系統(tǒng)中提供了相關(guān)能力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的光照管理依據(jù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可借助此類傳感器了解作物的光照需求滿足。圖3.6光照強(qiáng)度傳感器3.7BC26NB-IoT模塊BC26模塊為移遠(yuǎn)通信推出的NB-IoT產(chǎn)品，專為低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，它基于多模調(diào)制解調(diào)器芯片高度集成化，支持NB-IoT（B1/B3/B8/B5/B20/B28）頻段，且TCP/IP協(xié)議棧與MQTT協(xié)議集成完成，該模塊同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口提供支持，非常適合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，BC26NB-IoT模塊與STM32F103通過UART串口連接，串口相關(guān)配置包含9600波特率、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位且無校驗(yàn)位，模塊TXD引腳與STM32F103的PA10（RX1）引腳連接，RXD引腳與STM32F103的PA9（TX1）引腳連接，完成串口通信，模塊使用5V供電電壓，電源通過Type-C接口輸入。系統(tǒng)軟件中NB-IoT模塊的初始化函數(shù)NB_init()在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)被調(diào)用，用以完成模塊初始化配置，配置內(nèi)容包含AT命令響應(yīng)確認(rèn)、網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)與MQTT連接參數(shù)設(shè)置等，數(shù)據(jù)上傳功能由Ali_MQTT_Publish()函數(shù)完成，該函數(shù)定期調(diào)用（每3秒一次），把采集到的環(huán)境參數(shù)包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和PH值打包成JSON格式，通過MQTT協(xié)議發(fā)布到指定云平臺(tái)主題上。BC26模塊在系統(tǒng)中承擔(dān)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。采用NB-IoT技術(shù)后，系統(tǒng)特性包含廣覆蓋范圍，信號(hào)穿透建筑物時(shí)在農(nóng)田等復(fù)雜環(huán)境也具備優(yōu)勢(shì)；低功耗特性下支持PSM和eDRX模式，電池使用時(shí)壽命延長；連接密度高，單基站可支持大量設(shè)備接入適合大規(guī)模部署；網(wǎng)絡(luò)資源利用效率高、占用帶寬窄適合小數(shù)據(jù)量傳輸，且直接接入運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)無需額外建設(shè)網(wǎng)關(guān)，部署成本降低。BC26NB-IoT模塊的使用，令系統(tǒng)完成農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳與遠(yuǎn)程監(jiān)控，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者可隨時(shí)隨地對(duì)農(nóng)田環(huán)境狀況進(jìn)行了解，為科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。圖3.7BC26NB-IoT模塊

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件介紹本系統(tǒng)軟件開發(fā)使用Keil5集成開發(fā)環(huán)境（IDE），ARM公司提供的專業(yè)嵌入式開發(fā)平臺(tái)Keil5，對(duì)基于ARMCortex-M系列處理器的應(yīng)用開發(fā)特別適合，代碼編輯器、編譯器、鏈接器、調(diào)試器和仿真器接口集成在Keil5中，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的完整解決方案也由此提供。Keil5開發(fā)環(huán)境包含豐富的功能特征，代碼編輯器具有語法高亮和代碼提示功能，編程效率得以提高，優(yōu)化后的編譯器生成執(zhí)行代碼高效，適合資源受限的嵌入式系統(tǒng)使用環(huán)境。工程管理功能的復(fù)雜性支持組織與維護(hù)各種復(fù)雜項(xiàng)目，調(diào)試功能在程序測(cè)試中通過斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、變量監(jiān)視等具體形式方便了問題定位，同時(shí)通過JTAG/SWD接口可完成在線下載與調(diào)試任務(wù)，開發(fā)效率也得以增加。本系統(tǒng)軟件的開發(fā)借助了STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫（StdPeriphLibrary）和硬件抽象層次庫（HardwareAbstractionLayer），這些庫將STM32硬件外設(shè)的底層操作封裝，提供了高級(jí)API接口，驅(qū)動(dòng)開發(fā)的簡化在封裝中完成。模塊化設(shè)計(jì)思想在系統(tǒng)中采用，各功能模塊分別進(jìn)行封裝處理，按鍵邏輯、傳感器數(shù)據(jù)讀寫、顯示邏輯控制、數(shù)據(jù)處理與上傳等部分各為模塊，代碼可讀性的強(qiáng)化與維護(hù)性在設(shè)計(jì)思想中同時(shí)達(dá)到。Keil5的強(qiáng)大功能與STM32標(biāo)準(zhǔn)庫的支持，為本系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的軟件開發(fā)平臺(tái)，軟件質(zhì)量與開發(fā)效率在靜態(tài)化開發(fā)中確保了層次。圖4.1Keil_5軟件界面4.2軟件程序的設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，系統(tǒng)主程序采用循環(huán)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，定時(shí)器中斷完成定時(shí)任務(wù)，系統(tǒng)上電后，硬件初始化包括GPIO、ADC、USART、TIM等外設(shè)配置，OLED顯示屏初始化并清除內(nèi)容，NB-IoT模塊初始化完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)連接。進(jìn)入無限循環(huán)后，四個(gè)功能函數(shù)循環(huán)執(zhí)行：按鍵處理函數(shù)檢測(cè)按鍵狀態(tài)響應(yīng)操作，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)函數(shù)采集傳感器數(shù)據(jù)，顯示函數(shù)更新OLED內(nèi)容，數(shù)據(jù)處理函數(shù)判斷參數(shù)閾值，數(shù)據(jù)采集周期和數(shù)據(jù)上傳周期通過定時(shí)器中斷控制，周期為500ms與3秒，這保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性與節(jié)能要求，主程序結(jié)構(gòu)特征明確，便于維護(hù)與功能劃分清晰化。4.2.2按鍵子程序流程圖圖4.3按鍵子程序流程圖按鍵處理函數(shù)Key_function()完成系統(tǒng)人機(jī)交互，調(diào)用Chiclet_Keyboard_Scan()獲取按鍵狀態(tài)與對(duì)應(yīng)值，按鍵1用于界面切換，每次操作使flag_display變量加1，循環(huán)在0-10的范圍中，不同值對(duì)應(yīng)顯示界面內(nèi)容。按鍵2和按鍵3在界面1-10下調(diào)整參數(shù)：按鍵2增加當(dāng)前界面顯示參數(shù)的閾值，按鍵3減少參數(shù)閾值，為防止設(shè)置無效，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)調(diào)整施加了限制，如溫度上限低于下限加10的設(shè)置不進(jìn)行，濕度調(diào)整存在同樣閾值處理要求。用戶每次操作后，系統(tǒng)顯示內(nèi)容立即更新，提供直觀反饋，提升了交互體驗(yàn)，按鍵子程序設(shè)計(jì)滿足用戶調(diào)整需求，同時(shí)操作界面直觀合理。4.2.3顯示子程序介紹圖4.4顯示子程序流程圖Display_function()依據(jù)flag_display變量值輸出不同界面內(nèi)容，界面0顯示所有監(jiān)測(cè)參數(shù)和異常狀態(tài)，包含溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度和PH值，界面1與2用于設(shè)置溫度上下限，界面3與4對(duì)濕度上下限進(jìn)行設(shè)置，界面5與6完成CO2濃度上下限的設(shè)置，界面7與8處理PH值上下限，界面9與10完成光照強(qiáng)度上下限的設(shè)置。Oled_ShowCHinese()、Oled_ShowString()、OLED_ShowNum()等函數(shù)在OLED顯示屏上繪制文字、數(shù)字與狀態(tài)信息，顯示內(nèi)容布局清晰，參數(shù)值和單位標(biāo)識(shí)明確，異常狀態(tài)的顯示醒目，用戶可以快速獲取環(huán)境信息與系統(tǒng)狀態(tài)，顯示子程序完成的人機(jī)交互界面內(nèi)容豐富，系統(tǒng)可用性與用戶體驗(yàn)都達(dá)到提升。5系統(tǒng)的測(cè)試5系統(tǒng)的測(cè)試5.1軟硬件調(diào)試系統(tǒng)軟硬件調(diào)試包含硬件電路調(diào)試與軟件功能測(cè)試兩部分，硬件電路調(diào)試時(shí)，對(duì)STM32F103最小系統(tǒng)進(jìn)行上電測(cè)試，工作電壓和系統(tǒng)時(shí)鐘確認(rèn)正常。萬用表測(cè)量各電源節(jié)點(diǎn)電壓，電源供電穩(wěn)定性可確保，示波器觀察晶振波形，時(shí)鐘電路工作正常性可驗(yàn)證，依次連接各傳感器模塊后接口電路正確性就可測(cè)試，串口調(diào)試助手與NB-IoT模塊通信能驗(yàn)證AT命令響應(yīng)情況。軟件功能測(cè)試時(shí)，編寫單元測(cè)試程序，按鍵響應(yīng)、ADC采樣、OLED顯示、DHT11通信、NB-IoT命令發(fā)送等功能分別測(cè)試，傳感器數(shù)據(jù)采集算法驗(yàn)證完成，傳感器輸出與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，閾值設(shè)置功能測(cè)試確認(rèn)參數(shù)調(diào)整范圍和步進(jìn)值是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，異常檢測(cè)邏輯驗(yàn)證可模擬參數(shù)超限情況確認(rèn)告警觸發(fā)正確性，NB-IoT數(shù)據(jù)上傳功能測(cè)試確保云平臺(tái)正常接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)性能測(cè)試對(duì)功耗、響應(yīng)時(shí)耗和數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行評(píng)估，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠得到確保。調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題包含采樣頻率設(shè)置不適宜使ADC數(shù)據(jù)波動(dòng)、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)超時(shí)等，優(yōu)化采樣算法與增加網(wǎng)絡(luò)重連機(jī)制后，相關(guān)缺陷得到處理。5.2實(shí)物展示系統(tǒng)測(cè)試顯示智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可穩(wěn)定可靠地工作，各項(xiàng)功能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，溫濕度測(cè)量誤差保持在±2℃和±5%RH范圍內(nèi)，與DHT11傳感器的規(guī)格符合；光照強(qiáng)度與CO2濃度數(shù)據(jù)變化反映了環(huán)境趨勢(shì)的特征；對(duì)比專業(yè)PH測(cè)量儀時(shí)，PH值測(cè)量誤差控制在±0.2范圍內(nèi)，滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)需求的特征。OLED顯示清晰且界面切換流暢，參數(shù)閾值設(shè)置功能正常，操作響應(yīng)及時(shí)完成，NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸成功率達(dá)到98%以上，信號(hào)在農(nóng)田環(huán)境中覆蓋良好，數(shù)據(jù)上傳延遲在2秒以內(nèi)，整體系統(tǒng)功耗低，待機(jī)電流小于10mA，適合長期野外使用。實(shí)物如圖5.1所示：圖5.1系統(tǒng)實(shí)物圖結(jié)論結(jié)論結(jié)論本文完成了一套智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，它基于NB-IoT技術(shù)，STM32F103微控制器、多種環(huán)境參數(shù)傳感器、OLED顯示屏和BC26NB-IoT通信模塊在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)整合，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的整套解決方案呈現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境里的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤PH值等關(guān)鍵參數(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)借助直觀顯示界面呈現(xiàn)，支持設(shè)置參數(shù)閾值和異常警告，且NB-IoT技術(shù)助力數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與云平臺(tái)監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能與可靠性性能達(dá)到驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)都可滿足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用要求，系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性以及部署靈活和操作易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)支持部分也顯示了現(xiàn)代保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源消耗的有力性。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高中，這些優(yōu)點(diǎn)提供了助力，未來研究內(nèi)容中，增加傳感器種類以滿足不同作物生長環(huán)境的監(jiān)測(cè)需求，開發(fā)基于歷史數(shù)據(jù)分析的智能決策算法，以及集成自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理任務(wù)。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]鄭慧君,彭勇,梁月華等.基于NB-IoT的地下管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2024,(05):82-85.[2]馬洪波,邱凱義,劉潔.基于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//按鍵函數(shù)voidMonitor_function(void); //監(jiān)測(cè)函數(shù)voidDisplay_function(void); //顯示函數(shù)voidManage_function(void); //處理函數(shù)/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*/uint8_tUSART1_TX_BUF[200];#defineu1_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart1,USART1_TX_BUF,sprintf((char*)USART1_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)uint8_tUSART2_TX_BUF[255];#defineu2_printf(...)HAL_UART_Transmit(&huart2,USART2_TX_BUF,sprintf((char*)USART2_TX_BUF,__VA_ARGS__),0xffff)/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*//*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*/uint8_tkey_num,flag_display; //按鍵與顯示變量uint16_ttime_1ms,time_500ms; //計(jì)時(shí)變量1ms,500ms//串口1的數(shù)據(jù)獲取uint8_tuart1_value;//串口傳的單個(gè)數(shù)據(jù)//串口的儲(chǔ)存數(shù)組，串口的接收時(shí)間，串口存值的數(shù)量uint8_tuart1_buf[36],uart1_time,uart1_num;uint8_tuart1_rx_flag;//串口的獲取值的標(biāo)志位uint16_ttemp,humi;//溫度，濕度變量floatPH_value; //PH值uint16_ttemp_H=300,temp_L=100,humi_H=80,humi_L=30; //溫度閾值uint16_tCO2_H=80,CO2_L=1,td_H=80,td_L=20; //閾值floatPH_H=90.0,PH_L=30.0; //PH閾值uint8_tadc_ch,display_buf[20];//adc的個(gè)數(shù)uint32_tadc_buf[3];//adc數(shù)值的存儲(chǔ)數(shù)組uint16_tCO2,lg_value; //CO2，光強(qiáng)uint8_tbeep_flag;uint16_tPublish_time;uint8_tPublish_flag1;/*USERCODEENDPV*//*Privatefunctionprototypes*/voidSy