摘" 要：僅靠自然光難以滿足農(nóng)作物茁壯成長需求，為解決這一難題，該文提出一種基于無線信號傳輸?shù)亩喙δ苻r(nóng)業(yè)補光燈，可適用于不同農(nóng)業(yè)場景下。補光燈以STM32F103RCT6作為主控芯片，加入溫度、濕度、光照強度傳感器等，以獲取環(huán)境和裝置本身的數(shù)據(jù)信息，還可以通過Wi-Fi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過調(diào)試，裝置可以實現(xiàn)獲取環(huán)境多項數(shù)據(jù)并與手機APP通信的功能，加入語言識別模塊，可遠程控制裝置開關(guān)并按需調(diào)整光照強度。綜上，該裝置可以實現(xiàn)監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境信息并按需進行調(diào)整補光等功能。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè);STM32單片機;環(huán)境監(jiān)測;農(nóng)業(yè)補光燈;Wi-Fi通信

中圖分類號：TP368" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）13-0011-04

Abstract： It is difficult to meet the needs of crop growth by natural light alone. In order to solve this problem， a multi-functional agricultural supplementary light based on wireless signal transmission is proposed in this paper， which can be applied to different agricultural scenes. The supplementary light lamp uses STM32F103RCT6 as the main control chip， adding temperature， humidity and light intensity sensors to obtain the data information of the environment and the device itself， and can also transmit data through the Wi-Fi module. After debugging， the device can obtain multiple data of the environment and communicate with the mobile phone APP， add the language recognition module， and remotely control the device switch and adjust the light intensity as needed. In summary， the device can realize the functions of monitoring crop growth environment information and adjusting supplementary light as needed.

Keywords： smart agriculture; STM32 single chip microcomputer; environmental monitoring; agricultural supplementary light; Wi-Fi communication

隨著新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與農(nóng)業(yè)農(nóng)村加速滲透融合，持續(xù)推進我國從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)邁入智慧農(nóng)業(yè)時代。智慧農(nóng)業(yè)是利用這些先進的技術(shù)和裝備實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的智能感知和智慧管理，從而提高農(nóng)業(yè)的資源利用率和生產(chǎn)效率。智慧農(nóng)業(yè)是大勢所趨，而智能化農(nóng)業(yè)設(shè)備是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動力，它們的廣泛應(yīng)用能有力推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程?；谶@些目標(biāo)，設(shè)計一款基于STM32的多功能農(nóng)業(yè)補光系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測農(nóng)作物生長環(huán)境，按其需要為其調(diào)整補光強度，實現(xiàn)農(nóng)作物茁壯成長。

1" 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在本設(shè)計中，主控制器的選型非常重要，它直接影響整個設(shè)計的完成情況。溫度、濕度、光照強度傳感器在采集到環(huán)境數(shù)據(jù)信息后，會將信息傳輸給主控制器，主控制器會根據(jù)原先設(shè)定好的程序進行數(shù)據(jù)處理，并把數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊發(fā)送到手機APP上，用戶可以根據(jù)手機上的數(shù)據(jù)信息，提出改進要求，由語言模塊傳遞發(fā)送指令給主控制器，控制補光燈調(diào)整光照強度。

具體系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1" 芯片選型

經(jīng)過考慮，本系統(tǒng)選用STM32系列單片機作為控制器，它是基于ARM Cortex-M內(nèi)核的32微處理器，具有高性能、低成本、低功耗等特點，除此之外，相比較同類型的產(chǎn)品，它還擁有豐富的外設(shè)和簡單易用的開發(fā)軟件。最終選用STM32F103RCT6芯片作為整個補光系統(tǒng)的核心處理器，其具有5個USART串口和2個I2C接口，完全滿足開發(fā)該補光系統(tǒng)的需求。

1.2" 光檢測模塊設(shè)計

選用BH1750光強傳感器模塊用于檢測光照強度，它是基于BH1750芯片，加上外圍電路組成。BH1750內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器、ADC采集和晶振等組成。模塊有5個引腳口，分別對應(yīng)供電電壓正極、負極、IIC時鐘線、IIC數(shù)據(jù)線和IIC地址線。通過IIC總線，模塊可以和單片機完成通信，將測量的光照強度數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號輸出。

1.3" 溫度預(yù)警模塊設(shè)計

選用DS18B20溫度傳感器模塊檢測補光燈工作溫度，其測量范圍是-55 ℃到125 ℃，可以完全滿足補光系統(tǒng)所需要求。一共有3個引腳，分別是電源線、地線、單總線通信接口，接受和發(fā)送都是通過該引腳。其接收數(shù)據(jù)時為高電阻輸入，發(fā)送數(shù)據(jù)時為開漏輸出，輸出1時為高電平，輸出0時為低電平。設(shè)置一個溫度，當(dāng)補光燈在工作時超過此溫度，將打開風(fēng)扇進行散熱降溫。設(shè)置一個更高溫度，當(dāng)溫度超過此溫度時，警報聲響，并進行降檔，當(dāng)溫度超過極限值時，補光燈自動關(guān)閉。具體溫度模塊電路原理圖如圖2所示。

1.4" 溫濕度檢測模塊設(shè)計

選用B-HT-RS30溫濕度傳感器，其可測量溫度范圍為-40～+80 ℃，濕度范圍為0%～100%（RH），完全滿足檢測農(nóng)作物生長環(huán)境的需求。該模塊可以5 V輸入，有4線接口，分別是2條電源線和2條通信線，分別與電源線路和通信線路接通即可配置。該傳感器針對農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境做過防潮處理，可直接插入土壤檢測農(nóng)作物表面的溫度與濕度情況，并把數(shù)據(jù)傳給單片機。

1.5" 補光燈板設(shè)計

農(nóng)作物所需光照波段為400～460 nm藍紫區(qū)和600～700 nm紅橙區(qū)，為滿足農(nóng)業(yè)補光需求，選用紅藍兩色燈珠，以此滿足不同農(nóng)作物所需不同光照條件。并將紅色LED與藍色LED燈珠分別組合成為2個燈組，能夠通過PWM進行分別調(diào)控，用以組合出不同光源，使得補光系統(tǒng)能夠滿足各類農(nóng)作物所需光色。此外為了使得效果和功耗達成平衡效果，同時滿足散熱需求，選用24 V燈珠，并將燈板大小控制在30 cm×40 cm內(nèi)，實現(xiàn)所需效果。

1.6" 語音識別模塊設(shè)計

選用LU-ASR01語音模塊來實現(xiàn)語音控制功能，該模塊支持麥克風(fēng)、音頻輸入，并且提供串行接口和USB接口，便于和其他設(shè)備進行連接通信。本系統(tǒng)采用串口通信的方式， 使用者可以向語音模塊的麥克風(fēng)處發(fā)出指令，語音模塊向單片機發(fā)送指令，單片機控制補光燈開啟關(guān)閉狀態(tài)或調(diào)整光照強度。同時該模塊有DHT接口，與上述DS18B20溫度傳感器模塊連接，即可進行溫度播報。

1.7" Wi-Fi通信模塊設(shè)計

選用ATK-ESP8266 Wi-Fi模塊同時與單片機和手機APP進行通信。核心處理器ESP8266集成了32位MCU，主頻支持80、160 MHz。本系統(tǒng)采用串口的方式使模塊與單片機通信，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，能夠輕松實現(xiàn)串口與Wi-Fi之間的轉(zhuǎn)換。模塊有6個管腳，分別是電源、電源地、串口接收腳RXD（與單片機發(fā)送腳相連）、串口發(fā)送腳TXD（與單片機接受腳相連）、復(fù)位鍵和固件燒寫。運用串口無線STA模式，模塊作為無線Wi-Fi STA連接到手機的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)手機、單片機和模塊之間的數(shù)據(jù)互傳即可實現(xiàn)在手機APP上顯示環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

2" 系統(tǒng)程序設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)程序流程圖

為滿足補光燈實時調(diào)節(jié)的需求，需要基于程序邏輯進行實時判斷，當(dāng)接收到開始補光的信號，補光系統(tǒng)程序開始運行，接受光強傳感器的實時數(shù)據(jù)，計算目標(biāo)光強與實際光強的差值，使用PID算法構(gòu)建光強控制環(huán)，給定比例、積分和微分參數(shù)，使得光照強度能夠較快響應(yīng)并調(diào)整到所需目標(biāo)光強，并不會超調(diào)，隨著光強輸出的提高，系統(tǒng)發(fā)出的熱量會越來越大，為保證補光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，在進行參數(shù)增量調(diào)整之后需要對系統(tǒng)的溫度進行控制，當(dāng)系統(tǒng)溫度過高時會開啟散溫模塊，通過金屬導(dǎo)熱板將溫度集中，開啟大功率風(fēng)扇，集中散熱。若溫度持續(xù)升高，到達耐受值上限，系統(tǒng)將自動降檔，降低補光強度，并在手機APP上進行提醒，若溫度超出耐受值上限，系統(tǒng)將停止運行，直到溫度冷卻，再進行補光，整體結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。而其他農(nóng)業(yè)相關(guān)參數(shù)都將實時記錄，并通過Wi-Fi模塊傳輸至手機APP顯示，同時也能通過硬件顯示屏觀看實時參數(shù)，方便人員進行檢查、調(diào)整、交互。

2.2" APP程序設(shè)計

手機和補光系統(tǒng)連上同一個Wi-Fi，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和實時控制，在手機APP上顯示當(dāng)前補光燈的目標(biāo)光強、農(nóng)作物實時接收光強、農(nóng)作物生長環(huán)境濕度與溫度及土壤濕度等信息，同時提供控制平臺，能夠?qū)崟r操控農(nóng)業(yè)補光燈的開關(guān)、色溫、目標(biāo)光強等參數(shù)。

3" 系統(tǒng)機械設(shè)計

3.1" 外殼設(shè)計

農(nóng)業(yè)補光燈功率高，在系統(tǒng)工作時會產(chǎn)生大量熱量，為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，并且考慮到使用環(huán)境需要的便于懸掛的特性，本系統(tǒng)選用鋁制燈板并加裝鋁制散熱片，通過增加與空氣的接觸面積提高對流散熱效果，同時將熱量聚集，加裝風(fēng)扇以提高散熱能力。

3.2" 傳感器設(shè)計

為適應(yīng)農(nóng)業(yè)高濕度、高溫度的使用環(huán)境，在傳感器周圍加裝防水層，降低濕度對于電子設(shè)備的影響，提高傳感器的穩(wěn)定性，同時為保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性，線材也加裝了防水層，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確。

4" 多功能補光系統(tǒng)的調(diào)試與結(jié)果分析

從預(yù)期實現(xiàn)功能方面，有滿足農(nóng)業(yè)需求的補光參數(shù)設(shè)計、手機APP上顯示數(shù)據(jù)、語音控制補光燈調(diào)整光強和溫度預(yù)警降溫4個方面。本文將逐一驗證各個功能模塊，完成后進行整體功能驗證。

4.1" 多功能補光系統(tǒng)調(diào)試

為檢驗農(nóng)業(yè)補光燈補光效果的好壞，需要選取一個合適的光色范圍和光照強度，根據(jù)黃松等的研究，可以得知在人工光栽培環(huán)境下，光照強度為300 μmol/（m2·s）能夠?qū)崿F(xiàn)對番茄最好的補光效果，而黃瓜一般要達到400 μmol/（m2·s）光照強度才能正常生長發(fā)育，本系統(tǒng)需要將農(nóng)作物所受光強維持在所需光照強度之上，并且實現(xiàn)無須人工調(diào)節(jié)的自動補光。為檢測補光燈更具環(huán)境的自適應(yīng)性，分別在遮光環(huán)境、室內(nèi)環(huán)境、室外環(huán)境對2種農(nóng)作物所需光強進行檢測，在系統(tǒng)中給定目標(biāo)光強數(shù)值，并使用光照傳感器檢測實時光照強度，結(jié)果均能達到目標(biāo)光照強度，并且響應(yīng)時間較為合理。

4.2" 語音識別模塊調(diào)試

在模塊的工具軟件上，進行初始化設(shè)置，先選擇波特率和傳感器，后進行I/O口和高低電平設(shè)置，最后添加識別詞，完成軟件配置。為檢測語音識別的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，在檢測補光燈語音控制系統(tǒng)時，播放一定環(huán)境噪音，用來模擬農(nóng)業(yè)大棚等生產(chǎn)環(huán)境，以檢測補光系統(tǒng)在嘈雜環(huán)境下的語音控制能力。經(jīng)過檢測，在環(huán)境音不超過60 dB時能夠穩(wěn)定識別和檢測。同時為滿足較遠距離的語音控制，經(jīng)檢測在較安靜環(huán)境中檢測距離能達到10 m，滿足一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和需求。

4.3" Wi-Fi通信模塊調(diào)試

為檢測APP與補光系統(tǒng)的及時互聯(lián)性，分別在補光系統(tǒng)控制平臺和手機APP上操作改變補光燈的實時參數(shù)，檢測是否準(zhǔn)確和及時，并檢測在同一網(wǎng)絡(luò)下操控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)傳輸效果受限于Wi-Fi信號，在信號良好條件下能夠穩(wěn)定運行，參數(shù)更新也較為及時，滿足農(nóng)業(yè)補光燈使用場景。

4.4" 溫度預(yù)警模塊調(diào)試

單片機上電工作后，補光系統(tǒng)燈光打開，隨著工作時長的增加，整個補光系統(tǒng)溫度升高，當(dāng)溫度達到預(yù)設(shè)溫度50 ℃時，風(fēng)扇打開，開啟降溫模式;當(dāng)溫度持續(xù)升高，溫度達到65 ℃時，補光系統(tǒng)需要降檔;若降溫效果不佳，溫度上升到75 ℃時，蜂鳴器響起，發(fā)出警報，提醒使用者注意使用情況;當(dāng)補光系統(tǒng)溫度超過80 ℃時，系統(tǒng)停止補光。經(jīng)過長時間的開啟和檢測，本系統(tǒng)能較好地完成溫度控制。

4.5" 調(diào)試結(jié)果整體分析

整個系統(tǒng)安裝完成后，分別將各個模塊的程序錄入，進行最終整體調(diào)試。經(jīng)室內(nèi)試驗，溫濕度傳感器檢測正常，成功將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機APP上。后進行室外環(huán)境測試，陰天情況下，將溫濕度傳感器放置在農(nóng)作物生長土壤表面，光照強度值顯示在手機APP上，使用者對語音模塊的麥克風(fēng)口發(fā)出補光指令，補光系統(tǒng)進行補光，間隔幾分鐘后，手機APP中顯示光照強度明顯增加。試驗表明，多功能農(nóng)業(yè)補光系統(tǒng)的各個模塊均運行正常可以實現(xiàn)預(yù)期。

5" 結(jié)束語

基于上述內(nèi)容，本文設(shè)計實現(xiàn)了一款基于STM32芯片的多功能農(nóng)業(yè)補光系統(tǒng)，設(shè)計過程中運用了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，能夠安裝在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，檢測農(nóng)作物生長環(huán)境的溫濕度和光照強度情況，通過軟件算法自動控制植物光照環(huán)境，利于植物生長，同時在手機APP中顯示，并提供操控窗口，讓工作人員可以根據(jù)直觀的數(shù)據(jù)對農(nóng)作物光照環(huán)境進行調(diào)整。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、無線傳輸數(shù)據(jù)、檢測環(huán)境等功能，在市場中具備廣泛的應(yīng)用前景。

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*通信作者：奚崢皓（1980-），男，博士，副教授。研究方向為智能控制系統(tǒng)和裝置設(shè)計。