基于STM32的农业灾害监测系统研究通信工程专业.docx

第一章 绪论 1.1课题来源及研究目的和意义 农业的智慧，是农业生产的发展的潮流.中国是一个农业大国，在传统意义上，每年耕地盖率正在下降，年轻一代渴望在农村耕种。对于自动化和机械化智慧，农业可以被认为是非常紧迫的。更有效地利用有限的耕地和更少的资源不仅是可持续发展的必要条件，也是我们社会现代化的具体体现。 智慧农业是源于物联网技术兴起浪潮或世界物联网具体表现的众多“智慧”产品之一。农业生产。它主要利用物联网技术，即农业温室中的环境信息由相应的传感器模块测量，然后将信息收集在控制中心。通过有线网络在现场建立数据网络或手动测量数据是传统智能农业检测系统在大多数情况下获得环境参数的一种方式。 智能农业利用物联网技术建立一个网络，利用各种传感器和无线传输设备，可以及时呈现各种环境参数。真实和自动的方式，以及无缝连接用户和产品。如果继续采用标签技术，它还将能够建立现代农业农产品的可追溯平台，实现对食品安全和产品可追溯系统的有效控制农场。 1.1.1.提高农业生产效率 物联网技术在农业中的使用显着提高了农业部门的管理水平，提高了农业生产效率。在农业生产过程中，利用各种远程数据传输，构成了监管的科学依据。自动化农业生产环境。持续优化作物生长环境为作物提供了最佳的生长环境，提高了质量和产量，从而提高了农业生产的效率。 1.1.2.保障食品安全性 在现代农产品安全体系中，有一个农产品和食品的可追溯系统，集成了电子标签，条形码，物联网，GPRS和计算机的应用。 ，允许监测农产品的质量，可追溯性和可视化，并允许农产品从农田转移到餐桌。为了确保整个加工过程的有效监控，可以可靠地管理农产品并显着提高食品安全的可靠性。 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 1.2.1 国外农业发展形势 随着全球气候恶化，各种环境问题得不到解决，可持续经济已成为现代农业发展的主要趋势。近年来，世界发达农业国家在可持续农业经济方面做了大量尝试：生态农业，能源农业和智能农业已成为经济发展的新趋势。可持续农业。目前，农业的基本国情分为三类：第一土地少的人缺乏资源，第二是缺乏劳动力和人力资源缺乏，第三是土地和劳动力。现代农业表现在以下几个方面： 1.2.1.1农业生产智能化 GPS技术使得开发高智能拖拉机成为可能，不仅可以精确定位和区分行进方向，还可以将GPS数据传输到农场信息采集中心，误差小于2.5厘米。因此，坐标的温度和湿度，土壤的化学成分和排水沟的位置形成了最佳的农业计划，包括种子，肥料和农药的使用量。这种智能拖拉机可以通过在屏幕前执行简单操作轻松执行一系列任务，这不仅加快了工作速度，还减少了种子，农药和化肥的浪费。生产不仅可以增加20％，而且可以节省50％的投资。在美国，Valmont和ARS联合开发了一种用于智能作物灌溉的红外水分仪。如果该装置安装在灌溉机上，则每6秒钟测量一次植物的温度值。该值小于设定值。此时，信息中心提供启动灌溉系统的说明。收获作物时，准确的生产统计数据是一项庞大而复杂的任务。美国研究所已开发出一种可在收割机收割过程中准确收集的生产计数器。根据生产数据和这些数据，建立每个地区的生产统计数据，工作人员可以使用这些生产表制定下一年的生产计划。 1.2.1.2农业生产机械化 根据作物的生长规律, 机械化耕作的农业生长是在人工调节的生态环境中进行的, 如光强、温度和土壤湿度、空气湿度和土壤的温度和养分组成, 是高新技术的完全应用, 完全或部分不具备现代农业的地形、季节和其他自然条件。具有机械化、智能化、高进、规模化、高产、高质量、高产等特点。现代智能农业在荷兰、德国、日本、法国、美国等其他发达农业国家得到了大规模发展。随着各种技术的不断进步, 现代智能农业的特殊优势与成为广大市民农业生产的未来有关。。 1.2.1.3农业经营产业化 传统农业将从原有仅仅是产销、农贸变成产供销、农工贸、农科教有机结合和相辅相成的经营机制。现代的农产品市场对食品安全越来越严格，要求农产品在耕种、生产、加工、包装、储运、销售等环节技术水平提高、经营透明化、运作效率高，所以农业产业化是新时代农业的必经之路。 1.2.1.4.农业生产方式和经营目标更为广泛 现代农业生产将结合更多的元素。拓展农业的生产方式以及经营目标，例如：以环保与可循环经济为目标的生态农业、以观光旅游为副业或主业的观光农业、以供市区市民娱乐性劳作或者一家人进行农家乐的悠闲郊区农业等新的农业新模式将不断开发、推广。 1.2.2 国内农业发展形势 中国正出于转型期，转向现代农业进军的重要时期。在这一时段里，随着人均GDP突破1万美元的小康阶段，人们对与物质生活的追求也随之提高了。发展智慧农业的目标是实现增收增产、节省资源、统一耕种、保证食品安全。智慧农业还可以调整农村的收入结构，实现科技改变农业，并在改善水土平衡、保持气候良好、调节地理环境、改进生态平衡等方面做出重要贡献，具有重大的生态效益和社会效益。 第二章 系统整体设计方案 2.1系统功能 该系统有两个主要任务, 测试任务和传输任务, 分别由不同的设备负责相应的功能。本文的智能农业设计以嵌入式系统为基础, 实现了棚内的遮阳板和洒水控制, 以及对温度和湿度的实时监测,土壤水分、照明强度和降水。同时, 通过无线收发器模块, 收集遥控器末端的数据传输和相应的控制操作。在本设计中, 棚内的温度和湿度、发光强度、土壤湿度、发光强度等环境数据都设置了阈值, 再次设定了阈值, 将自动做出相应的报警或浇水操作。 2.2工作原理 上述大棚中所有的相关数据信息主要是通过多个传感器来对相应的。光照传感器、温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器等进行数据采集得到的，并将采集到的数据通过ESP8266无线传感网络传输到STM32F407VET6上，以此实现对各数据信息的远距离传输. 而后ESP8266模块将各数据信息从STM32F407VET6控制系统通过网络上传到上位机，实现实时检测功能，调控指令通过 ESP8266 模块传输至STM32F407VET6，再通过STM32F407VET6传输至对应模块来实现相关设备的调控功能。 本设计农植物生长环境全参数的采集，并设定了预定值，当某个环境参数超过它对应的设定值，系统将响起警报信号并发送对应的警报信号给人机交互界面。整个系统设计为三层：感知层、传输层、人机交互层。第一层：感知层，也就是各种传感器，负责收集农植物大棚各种环境参数；第二层：传输层，把传感器收集到的数据汇集到单片机内部进行处理，然后通过传输层显示在人机界面；第三层：人机交互层，良好的人机交互层能把上传数据呈现在用户面前，并根据用户的操作发送指令给单片机，让单片机做出反应。 图2-1 系统框架图 如图2-1所示，本次论文设计的系统采用的处理内核是ARM32位的Cortex-M4 CPU的STM32最小系统板STM32F407VET6。根据DHT11的主要参数，包括：（1）湿度的测量范围为20%-95%，测量误差为+-5%；（2）温度测量范围为0摄氏度到50摄氏度，测量误差为+-2度（3）湿度测量精度为1%，温度测量精度为1摄氏度。用于测量光照强度的BH1750FVI模块，光照强度测量范围为1lx-65535lx，精度为1lx，最小误差变动在+-20%；用于测量雨水的模块，有TTL数字输出和AO输出两种模式，第一种是检测是否有雨滴，第二种模式是检测雨滴的大小；土壤湿度模块同是有AO输出与DO输出，当湿度值低于设定值时，DO输出高电平，高于设定值时，DO输出低电平。这四个传感器收集到的数据汇集到STM32单片机进行分析处理，然后把分析后的结果通过ESP8266模块发送给指定的连接上位机。由上位机操控水泵洒水等操作。 第三章 系统硬件设计 本设计将系统分为硬件和主控两部分，其中的硬件部分包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器、无线传输模块。主控部分采用的是ST公司的STM32F407VET6。 3.1 STM32 简介 就是指ST公司开发的32位微控制器。在如今的32位控制器当中，STM32是为是领跑者，拥有出众的性能、灵活且丰富的内设。优点是高性价比和低能耗，大受工程师和市场的青睐。STM32的多系列，可以满足市场的各种需求，从内核上分有 Cortex-M0、M3、M4 和 M7，内核又可以分为主流、高性能和低功耗。F4 代表了高性能，基于 Cortex-M4 内核，主频 180M。特点为高性能、低成本、低功耗。本文使用STM32F407VET6，主要参数如下： 图3-1 STM32F407VET6主要参数 3.1.1 STM32F407VET6 命名解释 家族STM32表示32bit的MCU产品类型 F表示基础型 407表示具体特性：高性能 V表示引脚数目：V表示100pin，其他的 C表示48，R表示64，Z表示144。Z表示144，B表示208，N表示216 E表示FLASH大小：E表示512KB， C表示 256，E表示 512，I表示2048。 T表示封装：T表示QFP封装，这个是最常用的封装。 6表示温度：6表示温度等级为A :-40~85°，7代表-40——105℃。 3.1.2 开发板介绍 图3-2 STM32F407VET6 开发板原理图 此开发板选择了STM32F407VET6作为MCU，这个芯片配置非常强大，他拥有资源：集成了ARM32位Cortex-M4 CPU与FPU，自适应实时加速器，允许零等待状态从闪存到执行区域，频率高达168M HZ，拥有储存器保护单元，集成FPU和DPS指令。拥有的资源如下：具有192+4KB SRAM、512KB FLASH、3个SPI、3个串口、1个标准2.0 USB（带DMA）、1个用于外接HS ULPI USB、1个10/100M以太网MAC控制器、一个8至12位并行摄像机接口、3个AD(12bit、1us、分时24道)、2个12bit的DA、2个全双工I2S、3个IIC、1个SDIO接口、2个CAN、140个IO口。详细见下图3-3。 图3-3 STM32F407VET6资源 ST（意法半导体）推出了以基于ARM® Cortex™-M4为内核的STM32F4系列高性能微控制器。他采用了90 纳米的NVM 工艺与ART（自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator™）。 ART技术使得程序零等待执行。提升程序执行的效率。将Cortext-M4的性能发挥到了极致，使得STM32 F4系列可达到210DMIPS@168MHz。 在 CPU 运行时, 作用自适应实时加速器可以完全释放 cortex-m4 内核的性能允许的频率 (≤168Mhz)。。在闪存中运行的程序，能达到相当于零等待周期的性能。 STM32F4系列微控制器集成了单周期DSP指令和FPU（floating point unit，浮点单元），提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。 图 3-4 STM32F407VET6 正面引脚图 使用的STM32 芯片是封装好的成品，由内核和片上外设组成。与将他电脑 类比，内核与外设就如同电脑上的 CPU 与主板、显卡、内存、硬盘的关系，内核即为CPU。由 ARM 公司设计。芯片不由ARM 公司生产，ARM 公司出售其芯片技术授权。；片生产厂商们如 ST、TI、Freescale，主要负责 在内核之外设计部件并生产整个芯片.内核之外的部件被称为片上外设。 如 GPIO、USART(串口)、I2C、SPI 等都叫做片上外设。具体见图 6-3。 图 3-5 STM32 芯片架构简图 ※集成了新的DSP和FPU指令，拥有168MHz的高速性能可以使数字信号控制器应用和产品开发达到了新的水平。从而提升控制算法的代码效率、执行速度。 ※先