基于机智云平台的新疆农田气候检测系统设计与实现

 

本文设计了一种基于云平台的新疆农田气候检测系统，用于实时监测风速、温湿度和PM2.5等环境参数，提升农业生产智能化水平。系统采用STM32单片机与传感器采集数据，通过ESP8266 Wi-Fi模块上传至机智云平台，用户可通过手机App实时查看数据并接收报警信息。测试结果表明，该系统有效监测农田气候，提供数据支持与预警服务。

 

PART 01系统硬件方案设计

 

1.1系统总体结构

 

本系统主要由STM32F407VET6单片机、风速传感器、温湿度传感器、PM2.5传感器、转换模块、升压模块、报警模块、Wi-Fi模块、物联网云平台以及手机App等构成。具体的农田气候检测系统整体框图如图1所示。

 

该系统以STM32单片机作为核心控制单元，结合RS485三杯式风速传感器、YDTH-06温湿度变送器和PM2.5传感器实时采集农田环境数据。风速传感器和温湿度传感器通过RS485转TTL转换模块与单片机连接，以确保数据的稳定传输。同时，系统还配备了一个升压模块，将电压提升至12V，以为风速传感器提供所需的电力。通过ESP8266 Wi-Fi模块，系统将采集到的环境数据上传至云平台，用户可以通过手机应用实时监控数据，并根据需要设置阈值。一旦环境参数超过预设阈值，系统会自动触发报警提醒用户，及时采取措施，避免不利天气条件对农作物生长产生影响。

 

1.2 STM32F407VET6单片机

 

单片机在本系统中负责数据的采集、处理、存储、通信和远程控制等，确保系统的实时性、稳定性和数据准确性。结合设计的需求，选择具备高性能、低功耗、丰富通信接口和强大开发支持的STM32F407VET6单片机。

 

STM32F407VET6是一款基于ARM Cortex-M4内核的高性能微控制器，主频高达168 MHz，内置硬件浮点运算单元FPU，适用于需要实时数据处理的农业监控系统；其低功耗设计支持多种省电模式，能够延长其系统运行时间；其1MB的Flash存储和192KB的SRAM为系统提供了足够的存储和计算能力，确保能够高效处理来自传感器的数据；该芯片的丰富外设接口和支持多种通信协议使其能够稳定连接风速传感器、温湿度传感器和PM2.5传感器，发挥关键的控制和数据处理作用，能够满足农田气候检测系统设计需求。

图1 系统整体框图

 

1.3 RS485三杯式风速传感器

 

为满足农田气候监测系统对数据可靠性与系统稳定性的要求，设计选用RS485三杯式风速传感器进行风速数据的采集。RS485三杯式风速传感器结合了三杯式原理和RS485数字通信协议，通过旋转杯子测量风速，并将数据以数字信号输出，通常工作电压为12V。

 

由于其采用RS485协议，该传感器能够在长距离和复杂环境下提供稳定、抗干扰的通信，确保数据传输的可靠性，适合广阔农田区域多点布设和远程监控。为了与STM32单片机兼容，本系统采用RS485转TTL转换模块，将风速传感器输出的RS485信号转换为TTL信号，从而实现与微控制器的通信。

 

1.4 YDTH-06温湿度变送器

 

本设计中YDTH-06温湿度变送器负责实时测量和转换农田区域的温度与湿度信号。该传感器采用先进的传感技术，支持4～20m A、0～10V等多种信号输出方式，其工作温度范围为-20～60°C，确保设备能够在严苛气候条件下稳定运行，适合新疆农田的寒冷环境。

 

该型号传感器稳定性强、抗干扰能力强、安装和维护简便，能够在农田环境中确保数据采集的准确性与可靠性，适用于农业气候监测、温湿度控制及自动化监测系统。设计中同样采用RS485接口，需要通过转换模块将其RS485信号转换为TTL电平，以便与STM32单片机进行数据通信。

 

1.5 GP2Y1010AU0F PM2.5传感器

 

结合设计实际需求，采用Sharp GP2Y1010AU0F PM2.5传感器进行农田区域空气质量检测。该传感器基于光散射原理，能够准确检测空气中的颗粒物浓度，尤其适合户外环境中的长期监控。其低功耗特性使得系统能够持续运行，特别适合电池供电的远程检测需求。

 

同时，传感器具有宽广的工作温度范围和良好的抗干扰能力，能够应对农田复杂的气候条件。小巧的体积和易于集成的设计也让其能够方便地与现有检测系统对接，降低整体部署成本。该传感器输出为模拟电压信号，在本设计中通过STM32单片机的ADC模块转换为数字信号，以便后续处理。

 

1.6 ESP8266 Wi-Fi模块

 

设计选用ESP8266 Wi-Fi模块实现设备与云平台之间的数据传输，确保传感器采集到的数据能够实时或定期上传到云端，以便进行存储、分析和远程监控。ESP8266内置Wi-Fi功能，能够方便地连接到无线网络；低功耗特性适合长时间运行；成本低、性价高，适合大规模部署；且开发简单，支持Arduino IDE等开发环境，便于开发者进行编程，能够满足本系统的设计需求。

 

PART 02机智云平台

 

本文选用机智云作为农田气候检测系统的云平台，负责实时接收并存储来自传感器的数据，提供集中式的数据管理与存储功能。该平台支持Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等多种通信协议，适合ESP8266等设备集成，具备设备接入、远程控制和数据分析功能。

 

其开放API和图形化界面让开发者能够轻松连接和管理设备，降低开发难度；同时，机智云支持定制化手机App，提供远程控制、实时监控和用户管理等功能，提升用户体验。

 

1.8系统硬件电路设计

 

该系统通过多种传感器与STM32F407VET6单片机进行数据采集和通信。首先，RS485三杯式风速传感器通过RS485转TTL模块与单片机的PB10和PB11引脚连接，实时传输风速数据；温湿度变送器YDTH-06也通过RS485转TTL模块与单片机的PC6和PC7引脚连接，提供环境的温湿度数据；PM2.5传感器GP2Y1010AU0F通过PC1引脚与单片机连接，利用ADC转换读取空气中的PM2.5浓度。

 

此外，ESP8266 Wi-Fi模块通过PA2和PA3引脚与单片机连接，实现与云平台的数据通信，使得实时监控数据可以上传至云端，供远程查看与分析。最后，PB5和PB6引脚连接了报警设备，如小灯和蜂鸣器，用于当某些环境参数超出设定阈值时发出报警信号。这一系统能够实现多种环境数据的实时监控，并能够通过云平台进行远程管理和报警提醒，具有较强的智能化和自动化功能。

 

PART 04系统软件设计

 

2.1系统总流程

 

本设计主要使用STM32Cube MX、Keil5软件进行开发，使用C语言作为编程语言，其系统总流程如下：

 

1) 系统启动时，进行硬件设备的初始化，包括传感器和Wi-Fi模块的自检与配置。同时，初始化云平台连接，确保设备能够与云平台正常通信。

 

2) 风速、温湿度以及PM2.5传感器通过串口或模拟输入接口与单片机连接，根据需求设定采集周期，进行农田气候数据采集。

 

3) 单片机对接收到数据进行分析处理，如果温湿度、风速或PM2.5其中一个值超过设定的阈值，系统会自动触发报警机制，进行声光报警，并可通过推送通知等方式提醒用户，确保及时采取措施。

 

4) 单片机通过串口与Wi-Fi模块通信，将采集到的数据上传至云平台，进行集中存储与管理。云平台可以对历史数据进行分析，生成趋势图表，帮助用户了解农田的气候变化。

5) 用户通过手机App端，可以实时查看农田的气候数据，还可以远程控制设备，如修改阈值。

 

整个系统周期性地采集和上传环境数据，确保农田环境的实时监控与管理，并通过云平台提供智能化的农田监控功能。系统总流程如图2所示。

图2 系统总流程

 

PART 04数据采集

 

本设计中风速传感器和温湿度传感器均是通过RS485转TTL模块与单片机连接，单片机通过串口通信进行数据采集，并根据Modbus协议解析传感器数据，故数据采集步骤类似，流程如下：

 

1) 串口初始化：设置正确的参数，如波特率、数据位、停止位、校验等；

 

2) 构建请求帧并发送：构造Modbus请求帧，包括设备地址、功能码、寄存器地址等，然后将其发送到风速及温湿度传感器；

 

3) 等待并接收响应：等待风速传感器的响应。如果未接收到数据或者发生错误，就需要显示错误信息；

 

4) 解析响应数据：收到响应后，首先检查CRC是否通过。如果通过，则提取风速和温湿度数据；

 

5) 关闭串口：结束时关闭串口，释放资源。风速、温湿度数据采集流程如图3所示。

 

本设计中PM2.5传感器通过模拟输出引脚与单片机PC1引脚连接，在单片机程序中，配置PC1引脚为模拟输入模式，以便读取来自传感器的模拟信号。数据采集流程如下：

 

1) 初始化：初始化相关配置，启动传感器，确保其稳定输出正确的信号；

 

2) 读取模拟信号：使用单片机的ADC功能读取连接在PC1引脚的模拟电压信号，该电压值与空气中的PM2.5浓度成正比；

 

3) 数据处理：根据读取的模拟电压值，使用已知的公式将电压转换为PM2.5浓度。通常，传感器提供的公式为：PM2.5浓度=k*VAO+b，其中，VAO为从PC1引脚读取的电压值，k和b为传感器的校准常数；

图3 风速、温湿度数据采集流程

 

4) 输出结果：将计算得到的PM2.5浓度输出到单片机；

 

5) 关闭传感器：如果不再需要数据采集，关闭传感器，节省功耗。

 

PM2.5数据采集流程如图4所示。

图4 PM2.5数据采集流程

 

2.3数据上传

 

首先，在机智云平台上创建项目并添加设备，获取设备的App Key和App Secret，然后下载并导入机智云的Gizwits SDK。接着，搭建开发环境，安装Arduino IDE和ESP8266库，导入机智云SDK。编写固件时，初始化ESP8266与Wi-Fi的连接，并使用Gizwits SDK将传感器数据通过Gizwits.update Data Point()上传到机智云。最后，烧录代码到ESP8266，设备连接到Wi-Fi并与机智云平台进行数据交互，实现数据上传和远程管理。

 

PART 05系统测试

 

3.1系统调试

 

对系统电路进行全面检查，确保所有连接正确无误，检查各模块与STM32芯片的连接，确认无短路、接地问题或松动。测试电源电压和各模块的工作状态，确保系统能够稳定启动并正常运行。

 

在系统开发过程中，首先使用STM32Cube MX配置目标MCU和外设，生成初始化代码。然后，将工程导入Keil开发环境，编写应用程序代码并进行编译与调试。编译成功后，通过ST-Link等工具将程序烧录至STM32F407VET6单片机。

 

3.2实物测试

 

通过机智云平台创建设备项目并获取设备ID、App ID和设备密钥，下载官方源代码并导入Android Studio，进行必要定制与修改，实现手机App的配网功能。用户通过配网将设备与App连接，完成数据传输。系统配置完成后，通过测试系统能够将风速、温湿度、PM2.5传感器采集到的环境数据通过机智云平台发送至手机App并在界面上准确显示。系统测试结果如图5所示。

图5 系统测试结果

 

测试中，通过扇风增加风速、人工加热或制冷改变温湿度等方式模拟环境变化。风速从0.5 m/s增加至1.5 m/s时，App中数据显示为1.5 m/s，变化时延不超过5秒；温湿度从25°C、60%变化到30°C、50%时，App数据显示为29.8°C和51%，误差小于0.2°C和2%;PM2.5浓度从15μg/m3升至30μg/m3,App实时更新，延迟不超过5秒。测试结果表明，系统能够快速准确反映环境变化，数据传输和显示延迟极小，实时性良好。

 

为测试系统的报警功能，将温度阈值设置为30°C、风速阈值设置为3 m/s、PM2.5阈值设置为50μg/m3，系统能在超标时自动触发报警。测试中，温度从29°C升至31°C、风速从2.8 m/s增至3.2 m/s、PM2.5浓度从45μg/m3升至55μg/m3时，App立即显示报警并推送通知，数据同步更新。报警响应时间均在2秒内，系统反应灵敏且可靠。

 

结束语

 

本文设计的云平台农田气候检测系统实现了农田环境参数的实时监测和远程报警功能，为农业生产提供了有效的信息支持。未来可通过增加传感器扩展监测范围，并结合云平台数据分析和机器学习技术，提升天气预测和病虫害预警能力，进一步推动农业管理智能化。