關(guān)鍵詞：STM32；智慧農(nóng)業(yè)；實(shí)時(shí)監(jiān)測

中圖分類號 TP311.1323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）03-0039-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

由于不同品種花卉生長環(huán)境參數(shù)的需求不同。當(dāng)用戶離開家門時(shí)無法獲知花卉的生長狀態(tài)和管理花卉，因此用戶存在無法遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測花卉的生長狀態(tài)和管理不到位情況。為解決花卉種植中的遠(yuǎn)程管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控問題，論文采用STM32F103為最小系統(tǒng)，外接GY302光強(qiáng)傳感器、土壤濕度傳感器、ESP8266無線通信模塊等硬件模塊，構(gòu)建了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測與調(diào)節(jié)的花卉培植系統(tǒng)。為檢驗(yàn)和及時(shí)糾正溫室監(jiān)控系統(tǒng)的精確性，本文選取溫室環(huán)境參數(shù)為對象，提出構(gòu)建了一種適用不同花卉溫室環(huán)境預(yù)測模型，該模型利用最小二乘支持向量機(jī)對模型進(jìn)行優(yōu)化。通過算法模型對花卉系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行預(yù)測，用戶可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)變化問題，通過手動(dòng)或自動(dòng)對相應(yīng)的執(zhí)行器或傳感器等硬件做出相應(yīng)調(diào)整，該系統(tǒng)根據(jù)不同的花卉品種如（紅掌、鶯歌鳳梨等） 在育苗、中苗、花株不同的生長期配置最適宜花卉生長環(huán)境參數(shù)，在移動(dòng)端 App上設(shè)置不同時(shí)期不同參數(shù)的閾值，及時(shí)調(diào)整控制設(shè)備，以此來確?；ɑ艿牟煌瑫r(shí)期的最佳生長環(huán)境，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集端、執(zhí)行終端、監(jiān)測終端，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取、上傳和自動(dòng)響應(yīng)。系統(tǒng)架構(gòu)包括客戶端物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及App、花卉種植系統(tǒng)、云服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫，功能涵蓋遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)獲取以及設(shè)備控制，通過DHT11獲取大氣溫濕度數(shù)據(jù)，BH1750獲取光照強(qiáng)度，土壤濕度傳感器獲取土壤濕度，具備光譜補(bǔ)充功能，采用LED燈模擬光照強(qiáng)度過低時(shí)，補(bǔ)充光照[1]。系統(tǒng)具備自動(dòng)濕度降低功能、高溫預(yù)警功能，并使用OLED屏顯示實(shí)時(shí)種植環(huán)境數(shù)據(jù)，用戶可通過App查看花卉生長環(huán)境參數(shù)以及遠(yuǎn)程選擇手動(dòng)或自動(dòng)對花卉進(jìn)行管理（如手動(dòng)/自動(dòng)澆水施肥，增加或減少光照強(qiáng)度） 等，界面的設(shè)計(jì)注重一致性、操作簡便性和穩(wěn)定性。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)控各模塊狀態(tài)并通過服務(wù)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以折線圖或者柱狀圖形式展示環(huán)境參數(shù)的變化趨勢。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 花卉管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

花卉精準(zhǔn)種植系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。感知層包含感知節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，通過溫濕度傳感器、光照傳感器、CO₂濃度傳感器進(jìn)行花卉室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集，然后通過Wi-Fi 通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，同時(shí)進(jìn)行命令接收，以此來進(jìn)行花卉監(jiān)測和管理[2]。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和傳輸，該系統(tǒng)主要將數(shù)據(jù)在STM32F103無線模塊和Wi-Fi 模塊之間進(jìn)行交換。應(yīng)用層主要將分析和處理感知層的數(shù)據(jù)和指令，從而使硬件進(jìn)行滴灌、燈管補(bǔ)償、遮陽等功能。其數(shù)據(jù)和指令主要由手機(jī)App完成。

1.2 花卉系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

花卉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)包括各種傳感器收集的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送至協(xié)調(diào)器，然后通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到手機(jī)。下行數(shù)據(jù)主要由App或服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和指令到協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給執(zhí)行控制器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

使用STM32F103ZET6最小系統(tǒng)板作為中控，通過USART與DHT11通信，IIC與GY30通信、OLED屏通信，通過GPIO口控制一些外圍執(zhí)行設(shè)備，如可控抽水泵、蜂鳴器、LED補(bǔ)償、風(fēng)扇等，使用ADC轉(zhuǎn)換器精準(zhǔn)獲取土壤濕度。其示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)通信設(shè)備主要采用ESP2688將傳感器數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。同時(shí)接收云服務(wù)器下達(dá)的各種控制指令。

3軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要將傳感器各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后利用人工智能算法進(jìn)行預(yù)測以及對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主控器首先初始化PA11GPIO口，然后復(fù)位DHT11模塊，根據(jù)模塊的連接應(yīng)答獲取到大氣溫濕度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，主控器通過讀取對應(yīng)GPIO 口進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)，然后通過IIC協(xié)議顯示到OLED屏上，通過MQTT協(xié)議上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，若溫濕度一旦超出所涉閾值范圍，則執(zhí)行器風(fēng)扇進(jìn)行降溫。這里采用最小二乘支持向量機(jī)（Least Squares Support Veo?tor Mashine，LSSVM） 來預(yù)測溫濕度，根據(jù)預(yù)測的溫濕度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)滴灌和施肥。其LSSVM算法的約束不等式為式（1） 和（2） ：

最小二乘支持向量機(jī)簡稱 LSSVM，是一種基于核函數(shù)的學(xué)習(xí)機(jī)器，它遵循結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化（SRM） 原則。它的算法是通過最小二乘法將結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化。LSSVM是支持向量機(jī)（SVM）的改進(jìn)，提高了求解收斂速度和精度。與SVM相比，LSSVM的優(yōu)點(diǎn)在于：一是簡化了計(jì)算步驟，將求解問題由二次方程轉(zhuǎn)換為一次線性方程，更加快捷；二是 LSSVM包含所有訓(xùn)練樣本，可對所有樣本進(jìn)行處理，更加精準(zhǔn)；三是LSSVM對于動(dòng)態(tài)問題能夠自行回歸運(yùn)算，解決動(dòng)態(tài)問題更加容易。它可應(yīng)用于各種領(lǐng)域的模式識別、分類和回歸分析等問題。本研究采用LSSVM構(gòu)建花卉溫室環(huán)境的預(yù)測模型，能準(zhǔn)確預(yù)測花卉溫室的環(huán)境變化，這有利于對作物生長環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控，從而促進(jìn)花卉生長[3]。

4系統(tǒng)測試

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，研究者綜合考慮了系統(tǒng)需求和各個(gè)功能模塊，系統(tǒng)的主要實(shí)體，包括用戶和監(jiān)測模塊閾值。UI可顯示各執(zhí)行器的設(shè)備狀態(tài)，各傳感器模塊的數(shù)據(jù)狀態(tài)，以及各環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)折線圖。其實(shí)際測試圖如圖4所示。

軟件系統(tǒng)首先設(shè)置好不同品種花卉溫度、濕度以及關(guān)照值等閾值。設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2min，這里采集24小時(shí)數(shù)據(jù)來觀察土壤溫度、濕度以及光照度變化。如圖5、圖6所示。

圖5可以看出隨著日出，溫度也隨之升高，土壤濕度也隨著溫度升高而降低，主要由于水分蒸發(fā)所致。

圖6可以看出通過閾值的設(shè)置、光照強(qiáng)度都在均值8 000 LUX左右波動(dòng)和二氧化碳濃度在850 PPM左右波動(dòng)。通過實(shí)地測試和實(shí)驗(yàn)分析表明，該監(jiān)測控制系統(tǒng)功能全面，成本更低，自動(dòng)調(diào)控基本完善。本研究設(shè)計(jì)的基于STM32的花卉溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)已在本校園藝試驗(yàn)站花卉大棚運(yùn)行試用，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集上傳及時(shí)，穩(wěn)定性強(qiáng)。溫室環(huán)境預(yù)測模型誤差小、精確度高，為準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控提供算法基礎(chǔ)，本系統(tǒng)可推廣性強(qiáng)[4]。

5結(jié)束語

花卉精準(zhǔn)培植系統(tǒng)作為一種新型的種植技術(shù)，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。通過該系統(tǒng)，農(nóng)民可以根據(jù)花卉的生長需求和環(huán)境條件，精準(zhǔn)調(diào)控種植過程，提高生產(chǎn)效率和品質(zhì)。通過實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及論文查詢中，發(fā)現(xiàn)功能上可以完善病蟲害防治功能，在物聯(lián)網(wǎng)智慧溫室大棚中增加視頻監(jiān)控，可隨時(shí)觀察作物病蟲害發(fā)生情況在內(nèi)的生長情況，幫助相關(guān)工作人員開展病蟲害防治工作。以及在現(xiàn)有的智慧溫室大棚中安裝臭氧發(fā)生器，在溫室大棚內(nèi)釋放臭氧，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的環(huán)境消毒，有效控制病蟲害的發(fā)生[5]。同時(shí)可以添加更多的模塊，完善數(shù)據(jù)模型，例如二氧化碳濃度傳感器，通過濃度值可以推測花卉生長的狀態(tài)，是處于主要呼吸作用階段還是主要光合作用階段；還可以新增土壤酸堿度監(jiān)測模塊，不同的花卉對于土壤酸堿度要求不同，一般人們在種植前會(huì)采用合適酸堿度的土壤，但是花卉生長過程中，酸堿度是可能發(fā)生變化的，使用該模塊可以增強(qiáng)花卉的精細(xì)化培植。