本文設計了一種基于云平臺的新疆農(nóng)田氣候檢測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測風速、溫濕度和PM2.5等環(huán)境參數(shù)，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化水平。系統(tǒng)采用STM32單片機與傳感器采集數(shù)據(jù)，通過ESP8266 Wi-Fi模塊上傳至機智云平臺，用戶可通過手機App實時查看數(shù)據(jù)并接收報警信息。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效監(jiān)測農(nóng)田氣候，提供數(shù)據(jù)支持與預警服務。

PART 01系統(tǒng)硬件方案設計

1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由STM32F407VET6單片機、風速傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、轉(zhuǎn)換模塊、升壓模塊、報警模塊、Wi-Fi模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺以及手機App等構(gòu)成。具體的農(nóng)田氣候檢測系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)以STM32單片機作為核心控制單元，結(jié)合RS485三杯式風速傳感器、YDTH-06溫濕度變送器和PM2.5傳感器實時采集農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)。風速傳感器和溫濕度傳感器通過RS485轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)換模塊與單片機連接，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。同時，系統(tǒng)還配備了一個升壓模塊，將電壓提升至12V，以為風速傳感器提供所需的電力。通過ESP8266 Wi-Fi模塊，系統(tǒng)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云平臺，用戶可以通過手機應用實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要設置閾值。一旦環(huán)境參數(shù)超過預設閾值，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警提醒用戶，及時采取措施，避免不利天氣條件對農(nóng)作物生長產(chǎn)生影響。

1.2 STM32F407VET6單片機

單片機在本系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、通信和遠程控制等，確保系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準確性。結(jié)合設計的需求，選擇具備高性能、低功耗、豐富通信接口和強大開發(fā)支持的STM32F407VET6單片機。

STM32F407VET6是一款基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能微控制器，主頻高達168 MHz，內(nèi)置硬件浮點運算單元FPU，適用于需要實時數(shù)據(jù)處理的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)；其低功耗設計支持多種省電模式，能夠延長其系統(tǒng)運行時間；其1MB的Flash存儲和192KB的SRAM為系統(tǒng)提供了足夠的存儲和計算能力，確保能夠高效處理來自傳感器的數(shù)據(jù)；該芯片的豐富外設接口和支持多種通信協(xié)議使其能夠穩(wěn)定連接風速傳感器、溫濕度傳感器和PM2.5傳感器，發(fā)揮關鍵的控制和數(shù)據(jù)處理作用，能夠滿足農(nóng)田氣候檢測系統(tǒng)設計需求。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.3 RS485三杯式風速傳感器

為滿足農(nóng)田氣候監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)可靠性與系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，設計選用RS485三杯式風速傳感器進行風速數(shù)據(jù)的采集。RS485三杯式風速傳感器結(jié)合了三杯式原理和RS485數(shù)字通信協(xié)議，通過旋轉(zhuǎn)杯子測量風速，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號輸出，通常工作電壓為12V。

由于其采用RS485協(xié)議，該傳感器能夠在長距離和復雜環(huán)境下提供穩(wěn)定、抗干擾的通信，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，適合廣闊農(nóng)田區(qū)域多點布設和遠程監(jiān)控。為了與STM32單片機兼容，本系統(tǒng)采用RS485轉(zhuǎn)TTL轉(zhuǎn)換模塊，將風速傳感器輸出的RS485信號轉(zhuǎn)換為TTL信號，從而實現(xiàn)與微控制器的通信。

1.4 YDTH-06溫濕度變送器

本設計中YDTH-06溫濕度變送器負責實時測量和轉(zhuǎn)換農(nóng)田區(qū)域的溫度與濕度信號。該傳感器采用先進的傳感技術，支持4～20m A、0～10V等多種信號輸出方式，其工作溫度范圍為-20～60°C，確保設備能夠在嚴苛氣候條件下穩(wěn)定運行，適合新疆農(nóng)田的寒冷環(huán)境。

該型號傳感器穩(wěn)定性強、抗干擾能力強、安裝和維護簡便，能夠在農(nóng)田環(huán)境中確保數(shù)據(jù)采集的準確性與可靠性，適用于農(nóng)業(yè)氣候監(jiān)測、溫濕度控制及自動化監(jiān)測系統(tǒng)。設計中同樣采用RS485接口，需要通過轉(zhuǎn)換模塊將其RS485信號轉(zhuǎn)換為TTL電平，以便與STM32單片機進行數(shù)據(jù)通信。

1.5 GP2Y1010AU0F PM2.5傳感器

結(jié)合設計實際需求，采用Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5傳感器進行農(nóng)田區(qū)域空氣質(zhì)量檢測。該傳感器基于光散射原理，能夠準確檢測空氣中的顆粒物濃度，尤其適合戶外環(huán)境中的長期監(jiān)控。其低功耗特性使得系統(tǒng)能夠持續(xù)運行，特別適合電池供電的遠程檢測需求。

同時，傳感器具有寬廣的工作溫度范圍和良好的抗干擾能力，能夠應對農(nóng)田復雜的氣候條件。小巧的體積和易于集成的設計也讓其能夠方便地與現(xiàn)有檢測系統(tǒng)對接，降低整體部署成本。該傳感器輸出為模擬電壓信號，在本設計中通過STM32單片機的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便后續(xù)處理。

1.6 ESP8266 Wi-Fi模塊

設計選用ESP8266 Wi-Fi模塊實現(xiàn)設備與云平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，確保傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r或定期上傳到云端，以便進行存儲、分析和遠程監(jiān)控。ESP8266內(nèi)置Wi-Fi功能，能夠方便地連接到無線網(wǎng)絡；低功耗特性適合長時間運行；成本低、性價高，適合大規(guī)模部署；且開發(fā)簡單，支持Arduino IDE等開發(fā)環(huán)境，便于開發(fā)者進行編程，能夠滿足本系統(tǒng)的設計需求。

PART 02機智云平臺

本文選用機智云作為農(nóng)田氣候檢測系統(tǒng)的云平臺，負責實時接收并存儲來自傳感器的數(shù)據(jù)，提供集中式的數(shù)據(jù)管理與存儲功能。該平臺支持Wi-Fi、藍牙、Zigbee等多種通信協(xié)議，適合ESP8266等設備集成，具備設備接入、遠程控制和數(shù)據(jù)分析功能。

其開放API和圖形化界面讓開發(fā)者能夠輕松連接和管理設備，降低開發(fā)難度；同時，機智云支持定制化手機App，提供遠程控制、實時監(jiān)控和用戶管理等功能，提升用戶體驗。

1.8系統(tǒng)硬件電路設計

該系統(tǒng)通過多種傳感器與STM32F407VET6單片機進行數(shù)據(jù)采集和通信。首先，RS485三杯式風速傳感器通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊與單片機的PB10和PB11引腳連接，實時傳輸風速數(shù)據(jù)；溫濕度變送器YDTH-06也通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊與單片機的PC6和PC7引腳連接，提供環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)；PM2.5傳感器GP2Y1010AU0F通過PC1引腳與單片機連接，利用ADC轉(zhuǎn)換讀取空氣中的PM2.5濃度。

此外，ESP8266 Wi-Fi模塊通過PA2和PA3引腳與單片機連接，實現(xiàn)與云平臺的數(shù)據(jù)通信，使得實時監(jiān)控數(shù)據(jù)可以上傳至云端，供遠程查看與分析。最后，PB5和PB6引腳連接了報警設備，如小燈和蜂鳴器，用于當某些環(huán)境參數(shù)超出設定閾值時發(fā)出報警信號。這一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種環(huán)境數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，并能夠通過云平臺進行遠程管理和報警提醒，具有較強的智能化和自動化功能。

PART 04系統(tǒng)軟件設計

2.1系統(tǒng)總流程

本設計主要使用STM32Cube MX、Keil5軟件進行開發(fā)，使用C語言作為編程語言，其系統(tǒng)總流程如下：

1) 系統(tǒng)啟動時，進行硬件設備的初始化，包括傳感器和Wi-Fi模塊的自檢與配置。同時，初始化云平臺連接，確保設備能夠與云平臺正常通信。

2) 風速、溫濕度以及PM2.5傳感器通過串口或模擬輸入接口與單片機連接，根據(jù)需求設定采集周期，進行農(nóng)田氣候數(shù)據(jù)采集。

3) 單片機對接收到數(shù)據(jù)進行分析處理，如果溫濕度、風速或PM2.5其中一個值超過設定的閾值，系統(tǒng)會自動觸發(fā)報警機制，進行聲光報警，并可通過推送通知等方式提醒用戶，確保及時采取措施。

4) 單片機通過串口與Wi-Fi模塊通信，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，進行集中存儲與管理。云平臺可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析，生成趨勢圖表，幫助用戶了解農(nóng)田的氣候變化。

5) 用戶通過手機App端，可以實時查看農(nóng)田的氣候數(shù)據(jù)，還可以遠程控制設備，如修改閾值。

整個系統(tǒng)周期性地采集和上傳環(huán)境數(shù)據(jù)，確保農(nóng)田環(huán)境的實時監(jiān)控與管理，并通過云平臺提供智能化的農(nóng)田監(jiān)控功能。系統(tǒng)總流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總流程

PART 04數(shù)據(jù)采集

本設計中風速傳感器和溫濕度傳感器均是通過RS485轉(zhuǎn)TTL模塊與單片機連接，單片機通過串口通信進行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)Modbus協(xié)議解析傳感器數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)采集步驟類似，流程如下：

1) 串口初始化：設置正確的參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗等；

2) 構(gòu)建請求幀并發(fā)送：構(gòu)造Modbus請求幀，包括設備地址、功能碼、寄存器地址等，然后將其發(fā)送到風速及溫濕度傳感器；

3) 等待并接收響應：等待風速傳感器的響應。如果未接收到數(shù)據(jù)或者發(fā)生錯誤，就需要顯示錯誤信息；

4) 解析響應數(shù)據(jù)：收到響應后，首先檢查CRC是否通過。如果通過，則提取風速和溫濕度數(shù)據(jù)；

5) 關閉串口：結(jié)束時關閉串口，釋放資源。風速、溫濕度數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。

本設計中PM2.5傳感器通過模擬輸出引腳與單片機PC1引腳連接，在單片機程序中，配置PC1引腳為模擬輸入模式，以便讀取來自傳感器的模擬信號。數(shù)據(jù)采集流程如下：

1) 初始化：初始化相關配置，啟動傳感器，確保其穩(wěn)定輸出正確的信號；

2) 讀取模擬信號：使用單片機的ADC功能讀取連接在PC1引腳的模擬電壓信號，該電壓值與空氣中的PM2.5濃度成正比；

3) 數(shù)據(jù)處理：根據(jù)讀取的模擬電壓值，使用已知的公式將電壓轉(zhuǎn)換為PM2.5濃度。通常，傳感器提供的公式為：PM2.5濃度=k*VAO+b，其中，VAO為從PC1引腳讀取的電壓值，k和b為傳感器的校準常數(shù)；

圖3 風速、溫濕度數(shù)據(jù)采集流程

4) 輸出結(jié)果：將計算得到的PM2.5濃度輸出到單片機；

5) 關閉傳感器：如果不再需要數(shù)據(jù)采集，關閉傳感器，節(jié)省功耗。

PM2.5數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 PM2.5數(shù)據(jù)采集流程

2.3數(shù)據(jù)上傳

首先，在機智云平臺上創(chuàng)建項目并添加設備，獲取設備的App Key和App Secret，然后下載并導入機智云的Gizwits SDK。接著，搭建開發(fā)環(huán)境，安裝Arduino IDE和ESP8266庫，導入機智云SDK。編寫固件時，初始化ESP8266與Wi-Fi的連接，并使用Gizwits SDK將傳感器數(shù)據(jù)通過Gizwits.update Data Point()上傳到機智云。最后，燒錄代碼到ESP8266，設備連接到Wi-Fi并與機智云平臺進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和遠程管理。

PART 05系統(tǒng)測試

3.1系統(tǒng)調(diào)試

對系統(tǒng)電路進行全面檢查，確保所有連接正確無誤，檢查各模塊與STM32芯片的連接，確認無短路、接地問題或松動。測試電源電壓和各模塊的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定啟動并正常運行。

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，首先使用STM32Cube MX配置目標MCU和外設，生成初始化代碼。然后，將工程導入Keil開發(fā)環(huán)境，編寫應用程序代碼并進行編譯與調(diào)試。編譯成功后，通過ST-Link等工具將程序燒錄至STM32F407VET6單片機。

3.2實物測試

通過機智云平臺創(chuàng)建設備項目并獲取設備ID、App ID和設備密鑰，下載官方源代碼并導入Android Studio，進行必要定制與修改，實現(xiàn)手機App的配網(wǎng)功能。用戶通過配網(wǎng)將設備與App連接，完成數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)配置完成后，通過測試系統(tǒng)能夠?qū)L速、溫濕度、PM2.5傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過機智云平臺發(fā)送至手機App并在界面上準確顯示。系統(tǒng)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試中，通過扇風增加風速、人工加熱或制冷改變溫濕度等方式模擬環(huán)境變化。風速從0.5 m/s增加至1.5 m/s時，App中數(shù)據(jù)顯示為1.5 m/s，變化時延不超過5秒；溫濕度從25°C、60%變化到30°C、50%時，App數(shù)據(jù)顯示為29.8°C和51%，誤差小于0.2°C和2%;PM2.5濃度從15μg/m3升至30μg/m3,App實時更新，延遲不超過5秒。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠快速準確反映環(huán)境變化，數(shù)據(jù)傳輸和顯示延遲極小，實時性良好。

為測試系統(tǒng)的報警功能，將溫度閾值設置為30°C、風速閾值設置為3 m/s、PM2.5閾值設置為50μg/m3，系統(tǒng)能在超標時自動觸發(fā)報警。測試中，溫度從29°C升至31°C、風速從2.8 m/s增至3.2 m/s、PM2.5濃度從45μg/m3升至55μg/m3時，App立即顯示報警并推送通知，數(shù)據(jù)同步更新。報警響應時間均在2秒內(nèi)，系統(tǒng)反應靈敏且可靠。

結(jié)束語

本文設計的云平臺農(nóng)田氣候檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和遠程報警功能，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有效的信息支持。未來可通過增加傳感器擴展監(jiān)測范圍，并結(jié)合云平臺數(shù)據(jù)分析和機器學習技術，提升天氣預測和病蟲害預警能力，進一步推動農(nóng)業(yè)管理智能化。