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摘要：智慧农业依靠农业生产过程中的智能决策和量化分析并结合多种有关的先进技术，如物联网技术、传感器技术、现场数据采集及测量技术、各种智能化自动控制技术，对农业生产进行集约化运作以达到提高农作物产量和品质，实现优产、高产。因此，大力发展物联网技术和智慧农业已成为时代的发展趋势。在大力发展智慧农业的背景下，要想提高农作物的产量和质量，则需要对种植环境做出精准控制。最基本的要求是通过传感器采集并传输温度、湿度、光照强度等环境数据，而系统的功能需求由一系列操作构成，对温室环境中参数因子的实时采集以及监控，并通过硬件之间建立的通信将采集到的数据发送到PC端，以实现可视化界面完成对温室的监控与管理。

关键词：智慧农业;物联网;生长条件;STM32;传感器

1.引言

近年来，传统的农业的发展已经难以满足精准、集约、可靠、实时、便捷的要求。在我国，农业的发展一直都占据着十分重要的地位，虽然我们可以养活中国14亿人口，解决了人们的温饱问题，但与美国、日本和以色列等农业强国相比，我国的农业模式还要落后许多。进入21世纪以来，传感器技术、计算机控制技术及新兴的物联网技术的迅速发展，使得提高农作物的生产效率变得刻不容缓。

如今，智慧农业逐渐兴起，智慧农业依靠农业生产过程中的智能决策和量化分析并结合多种有关的先进技术，如物联网技术、传感器技术、现场数据采集及测量技术、各种智能化自动控制技术，对农业生产进行集约化运作以达到提高农作物产量和品质，实现优产、高产[1]。因此，大力发展物联网技术和智慧农业已成为时代的发展趋势。

2.智慧农业生产系统的作用

农作物的生长条件受外界环境的影响较大，需远程即时的了解农作物生长环境，为提高农业生产经营效率现开发出一款基于基于多端的多端管理智慧农业设计，智慧农业系统能够有效改善农业生态环境，显著提高农业生产经营效率。其主要的协调方式是根据不同的天气不同的农作物来不断调整生长环境。通过对植物生长环境的调节，最终能够得到不同的收益数据，根据得到的数据进行分析对比，最终判断得到最大收益的生长环境。再根据这个生长环境对目标农作物进行针对性栽培，便可达到降低农作物种植成本、使农作物产量增加的目的。

该系统能通过微信小程序和网页前端有效且实时的在手机端监控光照强度、温湿度、土壤湿度等农作物的生长条件，并装配摄像头等随时查看植物的生长状况。并通过远程控制排气风扇、植物生长灯等设备，调控农作物的生长环境。

3.智慧农业生产系统的设计方案

该系统使用了温湿度传感器、光敏电阻传感器、土壤湿度传感器等传感器，还使用了STM32F103C8T6单片机作为核心处理模块。通过ESP8266WiFi模块，连接后台服务器远程通信，设计web前端，连接到手机微信小程序在手机端或网页前端即时读取大气温度、大气湿度、土壤湿度、光照强度这些农作物生长所需的环境条件。并通过手机端发送命令给STM32，从而通过调度排气风扇、植物生长灯、抽水泵喷洒装置，把农作物生长所需的光照、温度、空气湿度、土壤湿度等生长条件控制在合适的范围内，包括摄像头检测等。该系统是涵盖了嵌入式开发，软件开发，通信技术，物联网技术等等多项技术融为一体的复杂控制系统。系统结构图如图1所示。

3.1信息感知技术

信息感知技术是信息用户吸收和利用信息的开端，而智慧农业是将互联网技术与传统农业相融合的产物。对信息传感技术加以合理应用不仅能够对农作物的生长环境进行实时监控，还能收集到农作物在生长过程中的各类信息，对农作物的生长也能起到及时监管的作用[2]。一旦农作物在某一个环节发生问题便可及时作出应对，从根本上实现对于农作物质量的把控，避免造成更多损失。通过科学技术手段来提高农业发展速度，加速智慧农业的建设，带动社会经济的发展。

3.2物联网技术

物联网能够检测有关收获的作物数据与环境。通过加强农业预测支持数据系统建设，未来农业的产量将可以进行实时预测。基于物联网的智慧农业通常处理特定区域的农作物管理问题，如在指定区域对土壤、作物及气候进行环境监测，精准调整肥料和农药的使用，精准调整灌溉范围，对灌溉阀门、泵送设备及报警器的状态的监控等[3]。借助物联网传回的数据进行分析，通过所选农作物播种前的分析模型和客观数据，可以对农药收入进行预测。

3.2传感器技术

农业传感器技术是智慧农业的核心技术，主要用于采集农业生产要素的信息，如温度、空气湿度、光照强度等。传感器的工作原理是通过对外界信息的感知，经过敏感元件后直接进入转换元件，部分传感器通过敏感元件感知外界信息后直接进入转换电路，将转换后的物理量以电信号的形式输出，然后针对输出的电信号进行一系列控制、转变、记录和显示的操作。传感器的精度要求较高，为实现对温室大棚环境数据的采集，选用具备信息感知、信息传输以及信息处理这三大信息技术的光照温湿度变送器，该变送器精度高，采集数据效果较好。传感器框图如2所示。

4.硬件设计

基于物联网技术的智慧农业生产系统硬件主要由电源驱动模块、传感器模块、通信模块及其他辅助硬件模块组成。

4.1电源驱动模块

该系统采用了S-120-12电源搭配8路继电器模块输出12V电压，能给LED紫外灯和两个排气风扇及抽水泵喷洒装置提供稳定电源。而再连接一个5V降压模块，来给STM32提供控制电源。这套完善的供电体系，能为智慧农业提供稳定的能源保障。

4.2传感器模块

传感器是智慧农业系统设计重获取植物环境信息的关键。智慧农业系统设计里主要使用到的传感器有：温湿度传感器、光敏电阻传感器、土壤湿度传感器。该模块对农作物生长环境监测设备上传的土壤水分、环境温度、空气湿度等数据结合农作物的需求规律智能的作出最佳反应[4]。

4.3通信模块

要实现物联网智慧农业系统，就离不开通信技术和物联网技术，想通过连接单片机远程控制实体的植物生长灯、排气风扇、水泵的开关状态。并且要将各种传感器的读取数据在远程手机端上读取到，就需要一款wifi通信模块——ESP8266。ESP8266WIFI模块可以用来做串口透传，PWM 调控，远程控制开关：控制插座、开关、电器等。是单片机实现远程通信的首选模块。

4.4其他辅助硬件模块

有源蜂鸣器模块主要用于对农作物生长环境条件过于恶劣时作出报警。

TFT-LCD液晶显示屏模块要用于即时的读取各部分传感器读取到的环境状态，并精准高效的显示给使用者。

OpenMV摄像头模块是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口。该系统主要应用于检测农作物生长状况。

5.软件设计

5.1 STM32程序设计框架

系统的控制程序结构为：在主程序中调用各子函数，实现对系统初始化、各类传感器的读取、环境条件的判断、环境控制装置的控制、实现WiFi通信等功能。而在子函数内部，调用了IO初始化函数，处理硬件与MCU的连接，逻辑函数实现了对外部输入的处理或对执行机构的控制。系统内部通过各函数的互相调用与使用循环体等程序结构，实现的了对系统精确、稳定、快速的控制。在主函数中，将调用多个IO口，系统时钟，定时器。精准的读取各类传感器的数据，并通过LCD屏幕即时的显示、手机端即时接收并显示。并调用各类环境控制装置。实时调控环境，为农作物提供舒适的环境。

5.2 Web前端开发

开发前端控制页面，可以使得农场管理人员，在有网络的情况下，使用电脑或者手机，可以随时控制与查看农场信息。前端智慧农业管理页面的开发主要使用框架为bootstrap、Echarts作为页面开发，页面主要功能有登录、远程控制农场的各种可控制设备、农作物的环境信息折线分析图等。登录检验主要避免其他用户随意或恶意访问，保证信息安全与农场安全;远程控制农场的各种可控制设备，可以实时调控环境，为农作物提供舒适的环境。农作物的环境信息折线分析图，可以实时查看环境情况与以前的环境情况，有利于对环境的情况与农作物生长进行有利分析。

5.3小程序设计

开发智慧农业管理小程序，可以使得农场管理人员在有网络的情况下，使用电脑或者手机随时控制与查看农场信息。智慧农业管理小程序的开发主要使用美团开发的mpvue进行开发，mpvue 是一个使用 Vue.js 开发小程序的前端框架。使用mpvue开发可以使得用具有前端经验的开发人员更好开发小程序。

小程序主要功能为登录、天气预报与穿衣提醒、远程控制农场的各种可控制设备、农作物的环境信息显示、农作物的实时情况图片等。

登录检验主要避免其他用户随意或恶意访问，保证信息安全与农场安全;远程控制农场的各种可控制设备，可以实时调控环境，为农作物提供舒适的环境。农作物的环境信息与农作物的实时情况图片，可以实时查看环境情况与以前的环境情况，有利于对环境的情况与农作物生长进行有利分析。

6.环境控制装置

采用双12V排气风扇作为智慧农业的散热换气系统，排气风扇利用空气对流可以让室内一直处于负压状态，形成一股吸力，源源不断地吸入室外的空气，并排出室内闷热的空气，从而达到为农作物通风透气、降温的效果。

植物生长灯能在弱光环境下为植物提供热光源，是人造光源，通常是电光源，通过发射适合于光合作用的电磁波谱来刺激植物生长。植物灯用于没有天然发光或需要补光的应用中。例如：在冬天，当可能的日光时间可能不足以达到所需的植物生长时，灯被用来延长植物接收光的时间。如果农作物没有得到足够的光，那将不会有高产量高质量的果实。所以控制使用植物生长灯，能为农作物提供良好的光合作用环境，提高环境温度，降低湿度。

抽水泵喷洒装置为农作物提供自动化灌溉水源，原理为电机的圆周运动，通过机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积的泵腔内的空气进行压缩、拉伸形成真空，在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压入泵腔，再从排气口排出。所以根据需要控制抽水泵实现自动化为农作物提供水源。

综合以上装置，能升降环境的温度、空气湿度、土壤湿度。达到一个适合农作物生长的环境。

7.智慧农业生产系统的应用

智慧农业生产系统可应用于干旱应对、生长调节、土地适宜性、灌溉和病虫防治等场景中，可以帮助解决和改善许多传统农业中存在的问题。基于物联网的智慧农业在农业规划、生产、管理和销售等方面正不断更新，人们正在努力提供更经济适用的智能工具来进行一系列的农事活动[5]。要不断提升其商业价值，就要像其他行业一样实现良好的投入产出效益，使农民获得收益。虽然挑战一直存在，但大力发展物联网技术和智慧农业依旧是时代的发展趋势，并日渐走向成熟。

8.结语

本文在介绍了在农业智能化和传统人力成本的上升的背景下，对于基于多端设计的智慧农业系统。对比传统农业具有高效、自动化、准确、成本低等优点。在工业化、信息化趋势下的背景，智慧农业取代传统农业是必然的。智慧农业设计在农业生产中拥有良好稳定的表现，对农作物生长环境的稳定调节、人力成本的降低、流程的自动化、先进的农业生产模式，可见，促进智慧农业发展的具有重大意义。

参考文献：

[1]白鲁尧.基于物联网技术的智慧农业系统开发与实现[D].内蒙古科技大学，2021：1-2.

[2]赵云山.基于农业物联网技术的智慧农业研究进展[J].农村经济与科技，2020，31（10）：322-323.

[3]周杰，刘宝，徐梦颖，杨瑞，卢毅.智慧农业工程中的物联网、算法分析及设计技术[J].科技与创新，2019，（22）：50-51+54.

[4]张桃.基于物联网的智慧农业数据采集与分析系统的设计与实现[J].农村实用技术，2022，（02）：94-96.

[5]杨健，刘忠友.基于物联网技术的智慧农业发展探究[J].四川农业科技，2021，（10）：9-12.

基金项目：北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（S202111607057）。