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1、第一章绪论11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“智赛”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
2、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.LL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
3、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:121.1
4、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
5、明。收获作物时，准确的生产统计数据是一项庞大而第杂的任务。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
6、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。1.2.13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。121.4.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
7、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
8、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
9、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
10、机做出反应。上位机图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Corte-M4CPU的STM32最小系统板STM32F407VET6。根据DHTll的主要参数，包括：（1）湿度的测量范围为20%-95以测量误差为+-5机（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ll-655351x,精度为Ilx,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
11、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
12、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-MO、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Corte-M4内核，主频180Mo特点为高性能、低成本、低功耗。本文使用STM32F407VET6,主要参数如下：空号标识箜数STM32F407VET6空号标识及主要参数：STM32F407VET6型号标识STM32基于枳1，梯32(立网浏SF产品类2!通用当器件子系列，Connectivityline407USBOTGFS/HScamerainterface.EthernetV引瞰，100EFlashes*51
13、2Kbytes封装类型，LQFP6；度范国-40t85CSTM32F407VET6主要参数工作频率(MHZ)168程序FLASH(kB)512RAM(KB)192I/Os82图3-1STM32F407VET6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216E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
14、表示温度:6表示温度等级为A:-40-85。，7代表-40105oCo3.1.2 开发板介绍CPU简介SanU2F37XET, RAM： lK RASH： 512K 内收：AJiM分自的*1UCTVFAiTAXX QJ-VkMUr2atXHncNtfMClM FMrg 3a4CVM TSoTKAArJSLTiAn y5 OlM FnITNl CWMfM (H2VM) CHVtOtl KVW Z,zuu叫2曲黑OVnMirMMsuaurnBjm Aam LMnCMLgCdraM XeFAVWCI) IVUW CVII WlPWUMJi wnwf VTUOMMlMI；ailWMUMM Hl PAW
15、lVUin MlMi IMMLU FAMCMJin ILVTnH cKi cumyrvnWIaQULAMMr xx rAXM*tTVnwsAMCMAT MmPAWnClaKULFAiMnDMSJ VMU AMT*C Otl HBftnl 3,(txCvnao *0 MMW wm： tt VTlMI HMAtn cv*c tftMUnjOMMllVG lu.N (.A. J.，人飞：，.,KwKirJaCA ,BVnM) HMCM) O H*SML CUlAlr: TS vwr VUFy y M*n.E KmkmtehmuuA) txMKy、，.65”限, KMMiC C*MlA UU KM l
16、Ml-UAAtr f km4*mjlmAn*kviimUSART（串口）、I2C、SPI等都叫做片上外设。具体见图6-3oNjms.jDijtd6J三,WtraceclkTtradgmlpJTAGASW-1.MUflDMA2DMAIUSBOTGHSEtnometmac10/100DMA，RH3CCMdataRAMG*TMD-USARMCo11ex-M4168MHzFPUExterna)memoryntrolter(FSMC)SRAM.PSRAM.NOflFlash.PCCafd(ATA)NANDFiasClK.NEm,峥阿、Dpix.O0WEN.-,.r：；NWT4ORDY.CDMD.IOWR
17、.IHTPJWIN.NnSIGasAFULPICK,D(7jO).txR.SiR,oSCUSDA.IMTHID.VBUS.SOPPN叩P8gpi6cqPD16cqPE(16cOPqlMfPG1皿PHn5:01IioGPKJPORTAGPIOPORTBGpioportcGPKDPORTDGPlOPORTEGPIOPORTFGPK)PORTGGPIOPORTHGPIOPORTIDMA，RFORNGCamerainterlaceUSBOTGFSMMSCLSPUt22chanmhasM1CbenraimAFRX.TXCK,CTS.RlSosAPRX.TX.CK.CTS.RTSasAPMOSl.MCSO
18、SCK.NSSMAP8aalcginputsoADC3TIM/PWM3TlM99OTlMlo伍QTM111,USART1USART三WwDGDAClFDAC2TIM23a,(：；4cme.ETR*AFTIM3ia4dwvd三,ETR三Mnmu14cfwvxte.ETRasAFTIM534ChamdB.ETRaAF11M12nChWeto”MBM13,a0，1chmolMAFTIM14,aIchmolMAFUSART2*nck,aIrx.tx.ck.N-pCIS.RTSMAFUSAAT3*nc豆t-RXTXCKVpCTS.RTSAFUART4RKTXmAFUA11T5RX.TXmAFSP122S
19、2c-lMOSl/SD,MISSDi.SCIOCKNIKNSSWSMCKmAFSPt312S3SCUS0A.SMDA-AFQC2SMBUSC；SCUSOA.SMBAAF12C3SMBS-j-ySCUSDA.SMBA=MbxCANlHTX,RXbxCAN2STX-RXOUTDAC2asAT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。先进技术和工艺- 存储器加速器:自适应实时加速器（ARTAccelerator）- 多重AHB总线矩阵和多通道DMA：可实现程序执行和数据传输的担边理。数据传输速率很快
20、- 90nm工艺高性能- 2IODMIPS168MHz-因为采用了ST的ART加速器，程序从FLASH运行基本等于0等待更多的存储器-多达IMBFLASH（将来ST计划推出2MBFLASH的STM32F4）-192KBSRAM：128KB在总线矩阵上，64KB在专为CPU使用的数据总线上高级外设能与STM32F2兼容- USBOTG高速480Mbits- IEEE1588,以太网MAC10/100- PWM高速定时器：168MHZ最大频率- 加密/哈希硬件处理器：32位随机数发生器（RNG）- 带有日历功能的32位RTC：平均：12mA,峰值:200mA待机:200uA,工作温度-40oC-1
21、25oC存储环境侬：40,相对湿度:90%R.H.尺寸板载PCB天线:143mm*24.8mm*lmm;串口透传传输速率110-921600bpsTCPClient5个软件参数无线网络类型STA/AP/STA+AP安全机制WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK加密类型WEP64/WEP128/TKIP/AES网络协议IPv4,TCP/UDP/FTP/HTTP3.2.6.2 ESP8266 硬件介绍图471ESP8266PCB原理图VCC接3.3V电源，GND接地，CH_PD拉高，即可正常工作。UTXD接单片机的RX脚，URXD接单片机的TX脚，其他的引脚可以不用理会。详情参考表格2。表格4-
22、12Pirl脚定义PINFunctionDescription1URXD1 )UART_RXD,接收;2 )GeneralPurposeInput/Output:GPI03;2UTXD1 )UART-TXDr发送；2 )GeneralPurposeInput/Output:GPIOl;3)开机时禁止下拉；5RESET(GPIO16)外部ReSet信号，低电平复位，高电平工作（默认高）；6GNDGND8VCC3.3V,模块供电；14CH_PD1）高电平工作；2）低电平模块供电关掉；3.2.63EPS8266的应用简介ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP三种工作模式。（I）STA模式：
23、ESP8266模块经由路由器连接到Internet,移动电话或计算机通过Internet对设备进行远程控制。（2） AP模式：ESP8266模块作为接入点，允许移动电话或计算机直接与模块通信，实现无线局域网控制。（3） STA+AP模式：两种模式共存的模式，即可以通过互联网控制实现连续控制，操作实用。图4-13串口调试界面图474TCP调试界面客户端和服务器必须安装在同一网络上（在路由器上或同时在模块上）。该设计是使计算机作为安装在模块上（该PC连接到WiFi模块，例如Esp8266）的客户端，并且该模块作为服务器，AT命令设定服务器模式和辅助模块之间debuggingtcp连接模块。3.3硬
24、件设计3.2.7.1JTAG设计JTAGfJointTestActionGroup；联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE口49.1兼容），主要用于芯片内部测试。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCKTDKTDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。图3.2JTAG原理图3.2.7.2温湿度传感器模块为了测量的准确性和多通道数据采集，这里选择3片dhtll连接到stm32芯片上，由芯片上的IO引脚作为3片dhtll的器件数据及时钟选择端口。电路图设计如图4-5所示：DH111第四章系统软件设计4.1程序流程图及开发环境搭建4.2.1 KEIL5的介绍本系统编程用的是C语言
25、，编程软件用的是KEIL5,在单片机编程中，较为主流的编程软件，它拥有流畅的用户界面和强大的仿真功能。因为使用的传感器以及其他模块众多，因此把各个模块的功能与初始化都封装成了函数并分别存在了不同文档之中，这样不仅使得代码雅观整洁,而且调用的时候也十分方便。子程序中包括DHTn温湿度模块、雨滴传感器、土壤湿度模块、光照强度模块和ESP8266WIFI模块等。与之前的版本不同，KEIL5分成MDKCORE和Soft和SoftwarePacks两个部分。MDKCore主要包括KEIL5IDE集成开发环境和ARMCompiIer5SoftwarePacks则可以在不更换MDKCore的情况下，单独管理
26、设备支持包和中间件更新包（即DeViCe、CMSIS和MiddIeWare）。4.2.2 J-LINK的连接与设置J-Link-OB是SEGGER开发的自主调试调试器下载器。它通常是在大公司的评估板（“集成”）上设计的。这就是为什么后缀是0Bwo名为J-Link-OBw的模拟下载调试器具有USB通信功能，能与PC通信。另一端通过SM）/JTAG模式与兼容设备通信，以执行调试任务。，下载和调试。所有内置微控制器系列如ARM7911,Cortex-MOMlM2M3M4A5A8A9与SWD接口均支持J-LINK。关于J-LINK的使用，需要用杜邦线把LLink和开发板的JTAG/SWD连接起来。如下图所示：PAlSfTMSPA14/TCK72761Cj
