基于STM32单片机的稻田环境监测系统-设计说明书
电子校园网 编号：
HJJ-32-2022-025-LW
设计摘要：
本论文设计了一种基于STM32单片机的稻田环境监测系统。该系统以STM32单片机为核心控制器，结合其他模块组成了完整的监测系统，包括中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用STM32单片机，用于获取输入部分数据并进行处理控制输出部分。主机输入包括独立按键和供电电路，用于切换房间号和为系统供电。主机输出包括OLED显示模块、WiFi模块、zigbee模块和蜂鸣器报警，用于显示环境参数、与手机传输数据、与从机进行数据通信以及报警功能。从机输入包括颜色传感器、二氧化碳检测模块、光敏电阻、温湿度传感器、土壤湿度检测、zigbee模块和供电电路，用于检测环境参数并与主机通信。从机输出为继电器。通过该系统，能够实时监测稻田的温湿度、烟雾浓度、土壤湿度、二氧化碳浓度和颜色等环境参数，为稻田管理和农作物生长提供重要参考。实验结果表明，该系统具有良好的性能和稳定性，可为农业生产提供有力支持。
关键词：单片机；WIFI模块；ZIGBEE模块；土壤湿度传感器
字数：11000+
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摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5 温度检测方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 主控电路设计
3.3 OLED显示模块
3.4 DHT11温湿度传感器
3.5 土壤湿度传感器
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主机主程序流程设计
4.4 主机按键函数流程设计
4.5 从机主程序流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 连接WIFI模块实物测试
5.3 远程监测实物测试
5.4 超过阈值实物测试
5.5 颜色监测实物测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
稻米是世界上总产量第三的粮食作物，仅次于玉米与小麦。世界上近一半人口，都以大米为食。同时，水稻也是我国播种面积最大、总产最多、单产最高的粮食品种；在粮食生产和消费中历来处于主导地位。我国是世界上的水稻生产大国，稻谷面积居世界第二位、总产居第一位、单产居第十位。自1980年以来，我国水稻种植面积约占全球的23%，稻谷产量占全球的30%以上。水稻的生产很大程度上决定了我国的粮食供给。
目前，水稻是我国主要粮食作物之一，其种植面积和产量都位居世界第一，在中国粮食结构中处于举足轻重的地位。稻田环境信息的及时准确采集，对提高其产量和效益都起着至关重要的作用。温度、水分及光照度等是水稻生长过程中十分重要的环境指标，传统的稻田环境信息采集过程主要依靠现场人工使用各用仪器测试来完成，监测周期长、环境干扰大，准确性不高，也无法做到全天候实时在线监测，农业环境与农作物的生长状况是相互影响的，所以对农业环境进行实时监控，及时调整有关环境参数，能够有力促进农作物增产增收。农业环境监控系统采用各种智能化和高效率的现代信息技术，来采集、传输、存储、查询并分析农业的环境信息，为农业生产提供科学指导。稻田环境信息的及时准确采集，对提高其产量和效益都起着至关重要的作用。因此，研制一个切合实际需要的稻田环境监测系统显得十分必要。
随着传统农业向农业现代化的转变，农业必须控制成本，一方面需要保证质量和产量，另一方面需要有效利用资源，还必须考虑农业和畜牧业的可持续发展。农业现代化是基于精细化农业理念[1]。最早由英国明确提出了精细化农业和畜牧业的想法。提出农牧业可以在保护生态环境，控制成本的前提下，实时监测田间自然环境的多种信息内容，进行科学论证和预测分析，根据田间自然环境信息内容的变化，确定最佳的战略决策，并协助农民进行科学研究和种植。本文基于STM32单片机的稻田环境监测系统设计了主从机两部分，主机：可以通过ZigBee接收从机的数据，并利用OLED显示从机测量数据，对从机进行阈值设置；同时通过WIFI将数据传输至云平台，也可在云平台设置阈值；此外具有报警功能：土壤湿度过低、温度过低、光照强度过低时，蜂鸣器进行报警。从机：可以测量温湿度、土壤湿度以及光照度，并发送给主机显示（继电器1：土壤湿度过低打开水泵、继电器2：温度过低加热、继电器3：光照度过低开灯）；同时检测周围环境空气质量的浓度，判断水稻生长环境的好坏（测二氧化碳浓度）。该系统设计对于稻田环境检测具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
从国外现代农业发展的角度来看，其农牧业标准具有较高的技术含量，较高的资金投入，较高的产出率，较高的经济效益，快速的发展趋势率以及较大的面积。以英国，日本等国家为例，机械设备标准化水平等一系列对策都处于较高水平，居世界领先水平[3]。他们使用各种自动控制，包括机械自动种植技术、智能机器人种植、自动洒水灌溉工程、自动控制系统的开发和设计、控制器设计和人工智能技术操作的引入以及合理地提高农业智能和畜牧业具有系统和专业的管理能力[4]。例如，PS Sneha设计了基于嵌入式和物联网技术，对虾和稻田的全自动监控，合理地检测和操纵与稻田和对虾相关的各种环境监测系统。该系统软件是一个嵌入式操作系统，它依赖于传感器和电动执行器来监视稻田的环境，在农业行业中放置了一组不同类型的传感器，每个传感器都连接到构建在单片机上的控制板上[5]。显示屏将检测的值实时的显示出来，并通过按键对稻田的温湿度最值进行设置。如果检测到温湿度超过设置的最值的时候，那么将进行报警提醒，使得农民可以及时掌握稻田的环境并针对当前的情况做出适当的处理，在稻田中安装此类系统软件无疑将帮助农民自然环境下提高稻田的产量。
从中国现代农业发展的角度来看，与西方资本主义国家相比，我国农牧业自动化技术水平较落后。在我国，除一些大城市和郊区外，农牧业设备比较落后，防御措施低，使用性能差，自动化技术，智能系统和机械自动化的生产和制造仍然空白，工作效率低，自然工作环境差，生产水平低，产品质量无法达到销售市场的需求。为了更好地处理农民减少浇水投资，节省浇水时间，提高工作效率，达到全自动浇水和长期无人浇水的目标，蔡其伦设计了一种全自动实时监控系统软件（广东农业科学，2015）[6]。该系统软件可以根据按钮或短信完成浇水的打开和停止，并且还可以自动工作而无需手动控制。手机通过和GSM互联网发送信息，完成远程操作。激活自动灌溉模式后，如果没有合理的终止命令，系统软件将根据液位继电器预留的水位线确定工作时间，也可以根据应用程序短信停止浇水。另外，系统软件可以自动回复短信，并推送在很长一段时间内没有适当注入浇水的短信提醒。系统软件可以完成多种操作功能，操作稳定可靠[7]。根据高新技术的引进，建立基础的，优良的智能系统运行管理是我国农牧业已实现的总体目标，但仍有许多领域需要努力。我国农业和畜牧业的自动化生产管理系统已经基本步入正轨。
根据对世界各国的调查分析，为了更好地提高稻田的生产力，经济效益和生态效益，本人设计了一个稻田自然环境信息含量检测系统，主要根据ZigBee无线传输稻田的气体温度和湿度，土壤水分含量以及光照强度[8]。当测试数据信息超过预设值时，无源蜂鸣器将发出警报，提示农民采取相应的有效措施。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计基于STM32单片机，旨在实现稻田环境的监测和控制。系统由中控部分、输入部分和输出部分组成。中控部分采用STM32单片机，负责获取输入数据并控制输出。主机输入包括独立按键和供电电路，用于切换房间号和为系统供电。主机输出包括OLED显示模块、WiFi模块、zigbee模块和蜂鸣器报警，用于显示环境参数、与手机传输数据、与从机进行通信以及报警功能。从机输入包括颜色传感器、二氧化碳检测模块、光敏电阻、温湿度传感器、土壤湿度检测、zigbee模块和供电电路，用于检测环境参数并与主机通信。从机输出为继电器。通过该系统，可以实时监测稻田的温湿度、烟雾浓度、土壤湿度、二氧化碳浓度和颜色等环境参数，为农作物的生长提供重要参考。设计具有良好的性能和稳定性，可为农业生产提供有力支持
