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摘 要：随着人工智能技术的不断进步，物联网技术与日常生活逐渐紧密相关，越来越多的农业检测控制系统实现智能化处理，大大节省了人力物力，有效提高农业领域的管理效率，推动产业的迅速发展。针对传统农业领域管理复杂、不能有效监控农业温湿度的问题，本文利用人工智能技术，基于STM32嵌入式设备有效对农产品的生长环境进行实时监控并采取智能化管理模式，构建智能化农业监控系统，实现系统的实时监控及智能化处理。
关键词：物联网;温度监控;湿度监控;STM32
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0037-03
Design of Agricultural Monitoring and Control System Based on Single-Chip Microcomputer
YANG Hua1 LIU Yu2 DI Fei3 LI Yadong4
（1.Institute of Scientific and Technical Information of Nanyang，Nanyang Hennan 473000; 2.Sunmei rose cooperative， Pushan Town， Wolong District， Nanyang City，Nanyang Hennan 473000; 3.Hebi science and Technology Development Promotion Center，Hebi Henan 458030; 4.Henan Foreign Science and Technology Exchange Center， Zhengzhou Henan 450008）
Abstract： With the continuous advancement of artificial intelligence technology， the Internet of Things technology is gradually closely related to daily life. More and more agricultural detection and control systems realize intelligent processing， which greatly saves manpower and material resources， effectively improves management efficiency in the agricultural field， and promotes industrial rapid development. In view of the complex management in traditional agricultural field and the agricultural temperature and humidity can not be effectively monitored， in this paper， the artificial intelligence technology was used to effectively monitor the growth environment of agricultural products in real time based on STM32 embedded devices. Meanwhile， the intelligent management mode adopted to build an intelligent agricultural monitoring system as to realize real-time monitoring and intelligent processing.
Keywords： internet of things; temperature monitoring; humidity monitoring; STM32
随着科学技术的不断进步，互联网技术成为新一代通信领域中不可缺失的一部分，而物联网是随著智能化技术的发展而发展起来的新的技术应用形式，并逐步发展到万物互联的程度。物联网技术是利用全球定位技术、嵌入式传感器、红外热像、激光扫描等信息化处理技术，通过某种规定的协议，将生活中的物体与互联网进行连接，将采集到的物体状态及信息，通过互联网控制系统实现智能化监控、定位及管理[1]。现阶段随着物联网的应用价值不断提高，物联网结合大量农用设备应用于农业领域越发广泛，为农作物物联网及农业领域的可持续发展奠定了坚实的基础。传统农业大多依赖于人力、物力，结合过往经验，对农作物灌溉施肥，不但耗费大量人力物力，出现懈怠疏忽时，也会造成水资源及农产品肥料的大量浪费，不利于农业领域的可持续发展[2]。但随着物联网技术的不断普及，农业智能化水平不断提高，农户可实时监控农作物生长、采集生长环境的数据，结合数据采取相应措施，实现智能化处理，使农作物生长于舒适稳定的环境中，解决了过往利用经验灌溉施肥不当引起的问题和不足[3]，极大地提高了农作物的灌溉效率及产量，有利于农作物的生长，有助于缓解农民负担，促进农业智能化在乡村的普及。
1 系统的整体需求与设计原则
1.1 系统的整体需求
农业智能化管理系统的需求目标是对环境温湿度进行有效监控及管理，通过设计匹配环境的温湿度控制系统，构建农作物生长的适宜环境，推动农业智能化检测与控制。温度和湿度对于农产品的生长具有较大影响。当温度较高时，害虫滋生率以及农产品病变率直线上升;温度相对较低时，农产品果实的生长率又会大大下降，直接影响农产品的产量[4]。而湿度较高时，农产品会过涝，影响产量与产值;湿度较低时，农产品自身枝叶吸水会受影响，水分过少会影响农作物的生长与结果，不利于生长发育。总的来说，湿度值还是温度值过高或过低都不利于农产品的生长发育，影响其产量。 本文设计的智能化农业检测控制系统，根据现代农业的实际状况研究得到以下需求：①需要实时采集农产品生长环境的温度与湿度参量。②在每个参量的采集传输显示后，需要设计主控制系统，对环境参量设置相应的阈值，其阈值设定根据农产品实际的生长适宜性。③可以在显示系统中实时查看采集的阈值，设计环境降温与灌溉控制子系统，有效实时地在环境温度过高或湿度较低时采取相应的措施。
1.2 系统的设计原则
1.2.1 系统的稳定性。系统的稳定性，主要指系统完成设定的指令，不受环境影响，能够达到预期设计能力。农业监控系统的设计要充分考虑好各个传感器之间的合作性，元器件内部的电子特性能否达到系统规划的要求，并且数据采集子系统会不会出现数据丢失问题，硬件设计部分考虑原理图布线的规范性，以及硬件系统的抗干扰能力。
1.2.2 整体规划简单方便。农业监控系统的总体设计，要考虑系统的操作简易性以及用户的简单易操作，可以降低用户使用系统专业术语的难度，提高系统学习速度，更有助于农业监测控制系统的推广，为农业智能化发展提供较大的助力。
1.2.3 性价比。系统的性价比部分是用户系统选型的重要考虑因素，通常来讲，相同的价格时，选用性能稳定、功耗较低的元器件;性能相同时，选用价钱较低的元器件，可以大大节省预算。如果同等功能下，硬件电路和软件设计都能匹配的条件下，系统的设计一般选择软件设计，节省系统的成本预算，提高农业检测控制系统的性价比[5]。
2 系统的硬件设计
2.1 总体硬件的设计方案
本文设计的农业检测控制系统主要由三部分组成：主控模块、环境温湿度参量采集子系统、适宜农作物生长环境控制子系统。其中主控模块主要根据传输的温湿度参量，同时将温湿度参量实时显示在OLED显示屏上，根据实际农作物生长状况设定相应阈值，同时设定自动模式以及定时模式，根据阈值的设置及时对控制系统做出相应的反应;环境温湿度参量采集子系统，主要是结合温度传感器以及湿度传感器不断采集环境的参量，通过I/O口通信技术传输到主控模块;环境控制系统主要是接收到主控模块的相应指令后，控制风扇电机以及继电器控制系统进行相应的降温与灌溉处理。其中硬件主控系统采用STM32主控模块，采集的环境参量为农作物的温度与湿度，选用的传感器为DHT11湿度传感器以及DS18B20温度传感器。具体流程如图1所示。
2.2 基于STM32的主控模块
本控制系统采用STM32F103C8T6作为控制处理器，能够实时处理分析接受环境温湿度，农业检测控制系统的主要模块主要由电源模块、电机驱动模块、继电器驱动模块、温度传感器采集模块、湿度传感器采集模块以及OLED温湿度数据实时显示模块。其外围电路的结构如图2所示。
3 系统的软件设计
3.1 系统软件设计的需求分析
农业检测控制系统的软件部分是整个控制系统不可缺少的部分。为整个系统实现功能的稳定性及实时性提供保证[6]。本文对整个系统软件部分的子系统进行讨论，预计实现的功能主要有以下几个：
3.1.1 数据的采集模块：温湿度传感器对农产品生长环境实时采集，整合数据传输到主控系统。
3.1.2 数据的显示模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统软件驱动后，借助OLED模块实时显示环境温湿度数据。
3.1.3 数据的处理模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统根据农作物生长环境设定相应阈值进行数据的处理，超过阈值时向环境控制模块发出指令。
3.1.4 环境控制模块：电机与继电器驱动电路，接收到主控系统发送的降温及灌溉指令，对相应设备发出控制指令，及时进行农作物的降温及灌溉。
3.2 STM32数据采集模块软件设计
农作物生长环境数据采集模块的主要功能是借助A/D技术，采用温湿度传感器实时采集环境温湿度，并向主控系统进行传输。首先，软件设计中需要先对传感器进行初始化操作，避免传感器数据的冗杂，首先软件程序调用DHT11_Read_Data（）函数，先控制单片机读取温湿度传感器采集到的模拟信号，经过一段时间的采样保持，调用A/D转换技术，将传感器采集的模拟信号转化为数字信号，通过数字信号的Buffer位进行读取环境的温湿度，然后通过I/O的形式，将数据传输到STM32单片机主控模块。
3.3 OLED数据显示模块软件设计
数据显示模块的主要功能是实现当温湿度传感器采集环境温湿度，并通过I/O口传输后，通过OLED显示模块，实时监控显示环境的温湿度信息。在显示模块中，首先STM32单片机通过IIC通信技术与OLED软件驱动相连接，软件组成部分通过Write_IIC_Command（）与Write_IIC_Data（）实现IIC技术间的通信功能。OLED成功驱动后，温湿度数据传输过来，便调用OLED模块的字符显示模块OLED_ShowString（）函数进行温湿度的显示，因为最后实现字符串显示，所以需要将温湿度数字信息转化成字符串信息进行显示。
3.4 环境控制模块软件设计
环境控制模块实现的功能为：单片机设置控制系统分为定时模式与自动模式两种，定时模式下，管理人员可根据农作物生长习惯、自己喜好来进行数据的设定，定时开启电机或继电器进行降温灌溉处理;自动模式下，STM32单片机系统控制系统根据农作物自身生长状况设置相应的阈值，温湿度实时采集传输，当检测超过某一阈值后，STM32控制系统通过相应的I/O口技术控制电机及继电器工作。并且电机的功能实现是单片机通过I/O输出PWM，对风扇电机进行相应的控制，当温度超过设定范围，电机进行PWM调节，根据温度范围调整转速，对温度进行调控，当检测环境温度低于某一范围，关闭电机的运转。当湿度低于设定阈值，STM32单片机通过I/O口打开继电器，进而控制灌溉开关的开启，对农产品进行灌溉;当环境湿度超过一定的阈值，控制继电器闭合，灌溉停止。
3.5 系统的实物测试
完成农业检测控制系统的硬件与软件设计后，需要对系统的子系统组合进行验证测试，当各个子系统都能正常显示温湿度，满足系统整体的设计方案，农业检测控制系统的检测才算具有可靠性和稳定性。通过系统整体测试，发现实物电路可按照正常预设进行操作，温度过高时，风扇开启，环境温度降低;湿度过低时，继电器开关打开，可正常进行灌溉处理。
4 结语
本文设计的农业检测控制系统，在一定程度上可有效控制环境的温湿度参量，为农作物生长提供舒适的生长环境，但仍有一些不足，尚需改进。具体表现在两方面：一是环境参量的检测。虽然系统能够对农作物生长环境检测温湿度，但仍不能全方位地实现对环境的调控，未来可设计更全面的采集子系统，额外采集环境的光照值、土壤的PH值等参量，满足智慧农业的全面需求。二是农作物种植模式单一。农业检测系统缺乏重要的农业知识库，未来可添加智能化权威农业专家平台，可远程咨询专家进行实地指导，推进智慧农业的高质量發展。
参考文献：
[1] 顿文涛，赵玉成，袁帅，等.基于物联网的智慧农业发展与应用[J].农业网络信息，2014（12）：9-12.
[2] 王海宏，周卫红，李建龙，等.我国智慧农业研究的现状问题与发展趋势[J].安徽农业科学，2016（17）：279-282.
[3] 刘丽伟，高中理.美国发展“智慧农业”促进农业产业链变革的做法及启示[J].经济纵横，2016（12）：120-124.
[4] 张红月，程晓芳.基于单片机的大棚温湿度控制系统[J].电子世界，2017（5）：156-157.
[5] 阴国富.基于光载无线交换技术的渭南智慧农业系统研究[J].江苏农业科学院，2014（8）：414-418.
[6] 何海燕.温室控制中变论域模糊控制算法及应用研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2012.
关键词：物联网;温度监控;湿度监控;STM32
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0037-03
Design of Agricultural Monitoring and Control System Based on Single-Chip Microcomputer
YANG Hua1 LIU Yu2 DI Fei3 LI Yadong4
（1.Institute of Scientific and Technical Information of Nanyang，Nanyang Hennan 473000; 2.Sunmei rose cooperative， Pushan Town， Wolong District， Nanyang City，Nanyang Hennan 473000; 3.Hebi science and Technology Development Promotion Center，Hebi Henan 458030; 4.Henan Foreign Science and Technology Exchange Center， Zhengzhou Henan 450008）
Abstract： With the continuous advancement of artificial intelligence technology， the Internet of Things technology is gradually closely related to daily life. More and more agricultural detection and control systems realize intelligent processing， which greatly saves manpower and material resources， effectively improves management efficiency in the agricultural field， and promotes industrial rapid development. In view of the complex management in traditional agricultural field and the agricultural temperature and humidity can not be effectively monitored， in this paper， the artificial intelligence technology was used to effectively monitor the growth environment of agricultural products in real time based on STM32 embedded devices. Meanwhile， the intelligent management mode adopted to build an intelligent agricultural monitoring system as to realize real-time monitoring and intelligent processing.
Keywords： internet of things; temperature monitoring; humidity monitoring; STM32
随着科学技术的不断进步，互联网技术成为新一代通信领域中不可缺失的一部分，而物联网是随著智能化技术的发展而发展起来的新的技术应用形式，并逐步发展到万物互联的程度。物联网技术是利用全球定位技术、嵌入式传感器、红外热像、激光扫描等信息化处理技术，通过某种规定的协议，将生活中的物体与互联网进行连接，将采集到的物体状态及信息，通过互联网控制系统实现智能化监控、定位及管理[1]。现阶段随着物联网的应用价值不断提高，物联网结合大量农用设备应用于农业领域越发广泛，为农作物物联网及农业领域的可持续发展奠定了坚实的基础。传统农业大多依赖于人力、物力，结合过往经验，对农作物灌溉施肥，不但耗费大量人力物力，出现懈怠疏忽时，也会造成水资源及农产品肥料的大量浪费，不利于农业领域的可持续发展[2]。但随着物联网技术的不断普及，农业智能化水平不断提高，农户可实时监控农作物生长、采集生长环境的数据，结合数据采取相应措施，实现智能化处理，使农作物生长于舒适稳定的环境中，解决了过往利用经验灌溉施肥不当引起的问题和不足[3]，极大地提高了农作物的灌溉效率及产量，有利于农作物的生长，有助于缓解农民负担，促进农业智能化在乡村的普及。
1 系统的整体需求与设计原则
1.1 系统的整体需求
农业智能化管理系统的需求目标是对环境温湿度进行有效监控及管理，通过设计匹配环境的温湿度控制系统，构建农作物生长的适宜环境，推动农业智能化检测与控制。温度和湿度对于农产品的生长具有较大影响。当温度较高时，害虫滋生率以及农产品病变率直线上升;温度相对较低时，农产品果实的生长率又会大大下降，直接影响农产品的产量[4]。而湿度较高时，农产品会过涝，影响产量与产值;湿度较低时，农产品自身枝叶吸水会受影响，水分过少会影响农作物的生长与结果，不利于生长发育。总的来说，湿度值还是温度值过高或过低都不利于农产品的生长发育，影响其产量。 本文设计的智能化农业检测控制系统，根据现代农业的实际状况研究得到以下需求：①需要实时采集农产品生长环境的温度与湿度参量。②在每个参量的采集传输显示后，需要设计主控制系统，对环境参量设置相应的阈值，其阈值设定根据农产品实际的生长适宜性。③可以在显示系统中实时查看采集的阈值，设计环境降温与灌溉控制子系统，有效实时地在环境温度过高或湿度较低时采取相应的措施。
1.2 系统的设计原则
1.2.1 系统的稳定性。系统的稳定性，主要指系统完成设定的指令，不受环境影响，能够达到预期设计能力。农业监控系统的设计要充分考虑好各个传感器之间的合作性，元器件内部的电子特性能否达到系统规划的要求，并且数据采集子系统会不会出现数据丢失问题，硬件设计部分考虑原理图布线的规范性，以及硬件系统的抗干扰能力。
1.2.2 整体规划简单方便。农业监控系统的总体设计，要考虑系统的操作简易性以及用户的简单易操作，可以降低用户使用系统专业术语的难度，提高系统学习速度，更有助于农业监测控制系统的推广，为农业智能化发展提供较大的助力。
1.2.3 性价比。系统的性价比部分是用户系统选型的重要考虑因素，通常来讲，相同的价格时，选用性能稳定、功耗较低的元器件;性能相同时，选用价钱较低的元器件，可以大大节省预算。如果同等功能下，硬件电路和软件设计都能匹配的条件下，系统的设计一般选择软件设计，节省系统的成本预算，提高农业检测控制系统的性价比[5]。
2 系统的硬件设计
2.1 总体硬件的设计方案
本文设计的农业检测控制系统主要由三部分组成：主控模块、环境温湿度参量采集子系统、适宜农作物生长环境控制子系统。其中主控模块主要根据传输的温湿度参量，同时将温湿度参量实时显示在OLED显示屏上，根据实际农作物生长状况设定相应阈值，同时设定自动模式以及定时模式，根据阈值的设置及时对控制系统做出相应的反应;环境温湿度参量采集子系统，主要是结合温度传感器以及湿度传感器不断采集环境的参量，通过I/O口通信技术传输到主控模块;环境控制系统主要是接收到主控模块的相应指令后，控制风扇电机以及继电器控制系统进行相应的降温与灌溉处理。其中硬件主控系统采用STM32主控模块，采集的环境参量为农作物的温度与湿度，选用的传感器为DHT11湿度传感器以及DS18B20温度传感器。具体流程如图1所示。
2.2 基于STM32的主控模块
本控制系统采用STM32F103C8T6作为控制处理器，能够实时处理分析接受环境温湿度，农业检测控制系统的主要模块主要由电源模块、电机驱动模块、继电器驱动模块、温度传感器采集模块、湿度传感器采集模块以及OLED温湿度数据实时显示模块。其外围电路的结构如图2所示。
3 系统的软件设计
3.1 系统软件设计的需求分析
农业检测控制系统的软件部分是整个控制系统不可缺少的部分。为整个系统实现功能的稳定性及实时性提供保证[6]。本文对整个系统软件部分的子系统进行讨论，预计实现的功能主要有以下几个：
3.1.1 数据的采集模块：温湿度传感器对农产品生长环境实时采集，整合数据传输到主控系统。
3.1.2 数据的显示模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统软件驱动后，借助OLED模块实时显示环境温湿度数据。
3.1.3 数据的处理模块：数据采集模块传输的温湿度数据，经主控系统根据农作物生长环境设定相应阈值进行数据的处理，超过阈值时向环境控制模块发出指令。
3.1.4 环境控制模块：电机与继电器驱动电路，接收到主控系统发送的降温及灌溉指令，对相应设备发出控制指令，及时进行农作物的降温及灌溉。
3.2 STM32数据采集模块软件设计
农作物生长环境数据采集模块的主要功能是借助A/D技术，采用温湿度传感器实时采集环境温湿度，并向主控系统进行传输。首先，软件设计中需要先对传感器进行初始化操作，避免传感器数据的冗杂，首先软件程序调用DHT11_Read_Data（）函数，先控制单片机读取温湿度传感器采集到的模拟信号，经过一段时间的采样保持，调用A/D转换技术，将传感器采集的模拟信号转化为数字信号，通过数字信号的Buffer位进行读取环境的温湿度，然后通过I/O的形式，将数据传输到STM32单片机主控模块。
3.3 OLED数据显示模块软件设计
数据显示模块的主要功能是实现当温湿度传感器采集环境温湿度，并通过I/O口传输后，通过OLED显示模块，实时监控显示环境的温湿度信息。在显示模块中，首先STM32单片机通过IIC通信技术与OLED软件驱动相连接，软件组成部分通过Write_IIC_Command（）与Write_IIC_Data（）实现IIC技术间的通信功能。OLED成功驱动后，温湿度数据传输过来，便调用OLED模块的字符显示模块OLED_ShowString（）函数进行温湿度的显示，因为最后实现字符串显示，所以需要将温湿度数字信息转化成字符串信息进行显示。
3.4 环境控制模块软件设计
环境控制模块实现的功能为：单片机设置控制系统分为定时模式与自动模式两种，定时模式下，管理人员可根据农作物生长习惯、自己喜好来进行数据的设定，定时开启电机或继电器进行降温灌溉处理;自动模式下，STM32单片机系统控制系统根据农作物自身生长状况设置相应的阈值，温湿度实时采集传输，当检测超过某一阈值后，STM32控制系统通过相应的I/O口技术控制电机及继电器工作。并且电机的功能实现是单片机通过I/O输出PWM，对风扇电机进行相应的控制，当温度超过设定范围，电机进行PWM调节，根据温度范围调整转速，对温度进行调控，当检测环境温度低于某一范围，关闭电机的运转。当湿度低于设定阈值，STM32单片机通过I/O口打开继电器，进而控制灌溉开关的开启，对农产品进行灌溉;当环境湿度超过一定的阈值，控制继电器闭合，灌溉停止。
3.5 系统的实物测试
完成农业检测控制系统的硬件与软件设计后，需要对系统的子系统组合进行验证测试，当各个子系统都能正常显示温湿度，满足系统整体的设计方案，农业检测控制系统的检测才算具有可靠性和稳定性。通过系统整体测试，发现实物电路可按照正常预设进行操作，温度过高时，风扇开启，环境温度降低;湿度过低时，继电器开关打开，可正常进行灌溉处理。
4 结语
本文设计的农业检测控制系统，在一定程度上可有效控制环境的温湿度参量，为农作物生长提供舒适的生长环境，但仍有一些不足，尚需改进。具体表现在两方面：一是环境参量的检测。虽然系统能够对农作物生长环境检测温湿度，但仍不能全方位地实现对环境的调控，未来可设计更全面的采集子系统，额外采集环境的光照值、土壤的PH值等参量，满足智慧农业的全面需求。二是农作物种植模式单一。农业检测系统缺乏重要的农业知识库，未来可添加智能化权威农业专家平台，可远程咨询专家进行实地指导，推进智慧农业的高质量發展。
参考文献：
[1] 顿文涛，赵玉成，袁帅，等.基于物联网的智慧农业发展与应用[J].农业网络信息，2014（12）：9-12.
[2] 王海宏，周卫红，李建龙，等.我国智慧农业研究的现状问题与发展趋势[J].安徽农业科学，2016（17）：279-282.
[3] 刘丽伟，高中理.美国发展“智慧农业”促进农业产业链变革的做法及启示[J].经济纵横，2016（12）：120-124.
[4] 张红月，程晓芳.基于单片机的大棚温湿度控制系统[J].电子世界，2017（5）：156-157.
[5] 阴国富.基于光载无线交换技术的渭南智慧农业系统研究[J].江苏农业科学院，2014（8）：414-418.
[6] 何海燕.温室控制中变论域模糊控制算法及应用研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2012.