摘 要：本項目設(shè)計了以STM32F103ZET6單片機為控制核心的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有多個采集數(shù)據(jù)的傳感器，采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi通信顯示在云端上，可通過手機小程序查看植株的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到的特定數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時或者根據(jù)攝像頭處理識別植株的生長狀態(tài)時，單片機會主動開啟調(diào)控。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠保證環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)控制在作物生長適宜的范圍內(nèi)，使系統(tǒng)簡單化。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；ANN算法；AI；OneNET；ESP8266

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-04

0 引 言

我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)強國相比存在明顯差距。問題主要表現(xiàn)在機械化、智能化的普及不足，高素質(zhì)人才的缺失、農(nóng)業(yè)人口不斷減少、老齡化嚴(yán)重等。這些年，我國通過不斷向外學(xué)習(xí)成功經(jīng)驗，借助現(xiàn)代科技發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)來推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化[1]。通過將物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)“跨界”引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在大大提高效率的同時，減輕了農(nóng)業(yè)人口不斷流失和農(nóng)業(yè)人口老齡化所帶來的不利影響，推動著我國農(nóng)業(yè)朝著高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的方向發(fā)展[2]。

本文設(shè)計了以STM32F103ZET6單片機[3]為控制核心的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，包含采集模塊、控制模塊、通信模塊、AI攝像頭模塊，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)遠距離傳輸、云平臺數(shù)據(jù)上傳、本地監(jiān)控及微信小程序的遠程監(jiān)控功能，同時系統(tǒng)采用AI技術(shù)對植株的生長情況進行監(jiān)測。

1 總體方案描述

該系統(tǒng)由STM32F103ZET6主控芯片、圖像識別模塊、pH傳感器模塊、二氧化碳模塊、土壤濕度模塊、溫濕度檢測模塊、光敏檢測模塊、WiFi模塊、繼電器水泵模塊、OLED顯示器模塊構(gòu)成。其中單片機收集以上數(shù)據(jù)并判斷是否需要溫度、濕度、酸堿度補償，并通過OneNET上傳至用戶端實現(xiàn)報警、控制、實時顯示等功能。總體方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控電路

本產(chǎn)品使用高性能的以STM32F103ZET6為內(nèi)核的32位微控制器，最高工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有64 KB SRAM、512 KB FLASH、多個定時器、2個DMA控制器（共12個通道），可以同時兼容多種通信模式[4]。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 土壤濕度傳感器

本系統(tǒng)選擇了YL-69土壤濕度傳感器[5]檢測土壤濕度，硬件實物以及接口電路如圖2所示，其原理為：當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生改變時，會使得濕敏電容所在的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致濕敏電容中的電容數(shù)值發(fā)生變化，電容數(shù)值與濕度值成正比。

2.2.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選取DHT11型溫濕度傳感器獲取空氣溫濕度，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。硬件實物以及接口電路如圖3所示。

2.2.3 酸堿度傳感器

本系統(tǒng)選取DJS-1型酸堿度傳感器檢測pH數(shù)值[6]，該傳感器的工作電壓為（5±0.2）V（AC/DC），工作電流為5～10 mA，監(jiān)測pH值范圍為0～14，工作溫度為-10～50 ℃，輸出模擬電壓信號。硬件實物以及接口電路如圖4所示。

2.2.4 光敏電阻傳感器

本系統(tǒng)選取光敏傳感器[7]獲取光照強度，在特定頻率的光照下，電阻值會迅速減小，從而兩端電壓變?。欢渌闆r下，若具有較大的電阻值，則兩端電壓變大。硬件實物及接口電路如圖5所示。

2.3 無線通信模塊

本系統(tǒng)選取ESP8266作為通信模塊，硬件實物及接口電路如圖6所示。

2.4 OLED顯示模塊

本系統(tǒng)采用2.42寸OLED顯示屏作為顯示模塊，實物及模塊電路如圖7所示。

2.5 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用MaixII M2dock攝像頭，利用ANN算法[8]通過示例學(xué)習(xí)執(zhí)行任務(wù)，通常不用任何特定于任務(wù)的規(guī)則編程。ANN算法在系統(tǒng)中用于對番茄在不同時期的成熟情況進行識別判斷，方便對植株進行更加精細的培育。攝像頭模塊及接口電路如圖8所示。

2.6 水泵驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)的兩個水泵利用繼電器模塊進行驅(qū)動，原理如圖9所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)程序主要由ADC檢測模塊、數(shù)據(jù)上傳云端部分，數(shù)據(jù)判斷部分、調(diào)節(jié)和顯示部分組成。設(shè)定數(shù)據(jù)閾值，通過獲取數(shù)據(jù)值來反饋給單片機，單片機做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)操作需求。液晶顯示屏將對實時采集的數(shù)據(jù)進行顯示，并將數(shù)據(jù)上傳至云端，小程序?qū)崟r更新顯示，同時還可接收小程序指令進行調(diào)節(jié)。軟件總體設(shè)計如圖10所示。

3.2 ADC通道數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)對光照、土壤濕度、pH濃度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)采用模擬ADC采集方式采集，具體軟件實現(xiàn)過程為：先對ADC模塊進行初始化，對應(yīng)通道分時采樣傳感器數(shù)據(jù)，并完成電壓數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，對原始數(shù)據(jù)進行均值濾波后送到OLED實時顯示，同時根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)自動調(diào)控農(nóng)業(yè)環(huán)境，最后將傳感器數(shù)據(jù)上傳云平臺。流程如圖11所示。

3.3 I/O通道數(shù)據(jù)采集單元

本系統(tǒng)的環(huán)境濕度數(shù)據(jù)采集選用的是DTH11傳感器，將該傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過I/O通道上傳，具體過程如下：將采集的數(shù)據(jù)和校驗碼通過I/O口發(fā)送給STM32控制器，控制器接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行求和，并與接收的校驗碼進行比對，如果校驗正確，則轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)；否則返回錯誤。流程如圖12所示。

3.4 串口DMA接收單元

MaixII M2dock 攝像頭模塊識別到植株生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)后，通過ANN算法進行圖像處理，并判定識別結(jié)果；將判定后的結(jié)果通過串口DMA傳輸?shù)街骺刂破鳎骺刂破鹘邮盏阶R別結(jié)果數(shù)據(jù)后控制對應(yīng)的LED點亮。其中LED1、LED2點亮則判定番茄紅色；LED2、LED3點亮則判定番茄綠色；LED1、LED3點亮則判定番茄黃色。識別完畢后啟動下一輪DMA傳輸。流程如圖13所示。

3.5 控制單元

控制單元軟件主要完成數(shù)據(jù)實時顯示、智能調(diào)節(jié)控制、數(shù)據(jù)接收處理、聲光報警、電機驅(qū)動等任務(wù)，它將接收到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行比較，進而控制環(huán)境參數(shù)，為植株始終處于最適宜的生長條件提供保障。流程如圖14所示。

3.6 WiFi傳輸模塊單元

本系統(tǒng)采用ESP8266模塊與OneNET平臺[9]進行通信。ESP8266與STM32通過串口2進行連接，STM32核心板將數(shù)據(jù)打包匯總后通過WiFi傳輸方式上傳到OneNET平臺，同時OneNET平臺將指令信息通過ESP8266下發(fā)給STM32核心板。ESP8266的工作模式設(shè)置為AP+Station，即作為熱點供上位機連接，且可發(fā)送信息也可接收信息。流程如圖15所示。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 pH傳感器測試

在液體pH值分別為4和6時進行測試，pH傳感器測試數(shù)據(jù)顯示如圖16所示。

4.2 二氧化碳傳感器測試

利用打火機對二氧化碳傳感器進行測試，數(shù)據(jù)顯示如圖17所示。

4.3 光敏傳感器測試

對光敏電阻進行不遮擋與遮擋測試，同時獲取光照強度數(shù)據(jù)，并決定是否開啟右下角的補光燈，測試結(jié)果如圖18所示。

4.4 植物生長狀態(tài)測試

利用攝像頭拍攝不同顏色的番茄，并通過LED顯示植物生長狀態(tài)，如圖19所示。

4.5 土壤濕度傳感器測試

對濕紙巾遮擋與不遮擋土壤傳感器進行測試，數(shù)據(jù)顯示情況如圖20所示。

4.6 溫濕度傳感器測試

同樣利用打火機對DHT11溫濕度傳感器進行測試，如圖21所示。

4.7 小程序顯示

本系統(tǒng)可采用微信小程序[10]獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并控制光源。小程序顯示情況如圖22所示。

4.8 云平臺數(shù)據(jù)收集

系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過WiFi通信上傳到云平臺，云平臺顯示界面如圖23所示。

5 結(jié) 語

實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化和高效化，需要將物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)結(jié)合。本文所設(shè)計的AI智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)遠距離傳輸、云平臺數(shù)據(jù)上傳、本地監(jiān)控及微信小程序的遠程監(jiān)控功能；同時系統(tǒng)采用AI技術(shù)對植株的生長情況進行監(jiān)測，為農(nóng)戶進行精準(zhǔn)施肥灌溉、實時采摘等提供一定的參考，對農(nóng)作物產(chǎn)量的提高以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有一定的積極意義。

注：本文通訊作者為胡純?nèi)亍?/p>

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