基于嵌入式开发的智慧农业系统

科学技术创新2021.11OpenWrt 智能路由器在中小型规模智慧农业中的应用苏俊维（广西民族师范学院，广西崇左532200）随着嵌入式技术的发展，智慧农业被农民关注，虽然国外农业智慧化和集成化水平很高，但是国内农业还以人工管理为主[1]。

嵌入式领域的发展最初是由数码电子等移动消费产品带动，但是随着人们生活水平的提高，更扩大了这些嵌入式设备的应用范围，但是国内智慧农业还处于初级水平，还需要不断探索。

2012年嵌入式系统应用卷起热潮，当时以ARMv4架构的ARM9系列处理器为代表衍生出很多消费级电子产品；从2013年至今，流行ARMv7架构的Cortex 系列的处理器：其中STM32单片机占据大部分中低档电子消费市场，成本比ARM9低很多，其中高端电子消费市场采用Cortex-A9处理器方案，搭载Android 系统。

虽然ARM9时代已远去，但是基于MIPS 架构的路由器芯片却活跃了，国企能低成本生产该芯片。

智能路由OpenWrt 系统是嵌入式的Linux 操作系统，其开放源代码和免费的优点相比半开源的Android 系统更具有竞争力。

本文采用了搭载国产雷凌公司生产的RT3070主控芯片的路由器，该路由器型号为HG255d ，该路由器作为主控单元来实现中小规模智慧农业的集成化管理和监控，形成一套系统方案。

1系统整体方案设计该系统包括了ESP32-CAM 图传模块、STM32F103控制模块、气象数据采集仪模块和路由器4部分组成。

总体系统结构如图1所示。

该系统控制中心为HG255d 智能路由器，也作为网络服务器。

该路由器有一个USB 接口，所以需要用一个USB 扩展器扩展USB 的数量以满足各种USB 设备的连接。

系统设计以模块化设计为主，各个模块独立工作。

模块都外接了一些设备或者传感器，并且每个模块都与主控智能路由器通过有线或无线连接。

系统还配备了两种智能农业监控的客户端：手机客户端和电脑客户端，其作用是让农民通过该客户端远程监控农场。

基于Arduino的智能农业系统设计与实现农业是人类社会的基础产业，随着科技的不断发展，智能农业系统逐渐成为农业生产的新趋势。

Arduino作为一种开源电子原型平台，具有简单易用、灵活性高等特点，被广泛应用于智能农业领域。

本文将介绍基于Arduino的智能农业系统设计与实现。

一、智能农业系统概述智能农业系统是利用先进的信息技术、传感技术和自动控制技术，对农业生产过程进行监测、控制和管理，以提高农业生产效率、降低生产成本、保障粮食安全和实现可持续发展的一种现代化农业生产方式。

智能农业系统通常包括环境监测、灌溉控制、施肥控制、病虫害监测等功能模块。

二、基于Arduino的智能农业系统设计1. 硬件设计在基于Arduino的智能农业系统中，常用的传感器包括温湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器等，用于监测环境参数。

执行器包括水泵、喷灌器等，用于控制灌溉和施肥。

Arduino主控板负责数据采集和控制执行器。

2. 软件设计软件设计包括传感器数据采集模块、数据处理模块和执行器控制模块。

传感器数据采集模块负责读取传感器数据；数据处理模块对采集到的数据进行处理分析；执行器控制模块根据数据分析结果对执行器进行控制。

三、智能灌溉系统实现智能灌溉系统是智能农业系统中的重要组成部分。

通过监测土壤湿度和环境温湿度，智能灌溉系统可以根据作物需水量自动调节灌溉量，实现精准灌溉，提高水资源利用效率。

四、智能施肥系统实现智能施肥系统通过监测土壤养分含量和作物生长情况，可以根据作物需求量自动调节施肥量，实现精准施肥，提高施肥效果，减少化肥用量。

五、智能监测与预警系统实现智能监测与预警系统通过监测环境参数和作物生长情况，可以及时发现病虫害等异常情况，并通过手机App等方式向用户发送预警信息，帮助用户及时采取措施防范风险。

六、总结与展望基于Arduino的智能农业系统具有成本低、易扩展等优势，在提高农业生产效率、降低生产成本方面具有重要意义。

基于嵌入式开发的智慧农业系统智慧农业是指利用先进的信息技术和通信技术，结合传感器、云计算、大数据等技术手段，对农业生产过程进行智能化管理和优化，提高农业生产效率和质量的一种农业发展模式。

嵌入式开发则是指将硬件系统和软件系统相结合，利用微处理器或微控制器等嵌入式系统构建实时控制系统的过程。

嵌入式开发技术在智慧农业中扮演着重要的角色，可以通过传感器和执行器实现对农业生产环境和作物生长状态的实时监测和控制，从而实现智能化的农业管理。

1. 传感器技术：通过植物感应器、土壤湿度感应器、温湿度传感器等多种传感器实时监测农田土壤湿度、温度、养分含量、作物生长状态等关键参数，以便及时采取相应措施。

2. 自动控制技术：利用嵌入式系统和执行器实现对灌溉设备、温室通风设备、光照设备等农业生产设备的实时监控和控制，根据传感器获取的数据自动调节灌溉量、温度、湿度等环境参数，从而实现农业生产过程的智能化控制。

3. 云计算和大数据技术：通过云计算技术将传感器获取的大量农田和作物数据上传至云端，运用大数据分析技术进行数据挖掘和分析，为农民提供决策支持和农业管理建议。

将种植、施肥、灌溉等各种操作记录在云端数据库中，为后期农业管理提供参考。

4. 物联网技术：将农田感应器、执行器、嵌入式控制器等设备通过物联网技术相互连接，构建起一个智能农业网络系统。

农民可以通过智能手机、平板电脑等终端设备远程监测和控制农田环境、设备运行状态等，随时进行农田管理。

5. 技术培训和支持：智慧农业系统基于嵌入式开发需要农民具备一定的技术知识和操作技能，因此需要进行农民技术培训和技术支持，使农民能够熟练操作农业智能设备，合理运用智慧农业技术进行农田管理。

通过以上技术应用，基于嵌入式开发的智慧农业系统可以实现农田环境的智能监控和调控，提高农业生产的效率和品质。

嵌入式开发技术还可以应用于农产品的溯源管理、农田病虫害的预测和防治、农产品销售的物流管理等方面，进一步提升农产品的产质量和市场竞争力，促进农业可持续发展。

一、实训背景随着全球农业现代化进程的加快，智慧农业逐渐成为农业发展的新趋势。

智慧农业是指利用物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术手段，对农业生产、管理、服务等环节进行智能化、精准化改造，提高农业生产效率，降低生产成本，实现农业可持续发展。

嵌入式系统作为智慧农业的核心技术之一，在智慧农业中扮演着重要角色。

本次实训旨在通过嵌入式系统在智慧农业中的应用，提高学生对嵌入式技术的理解与应用能力。

二、实训目标1. 理解嵌入式系统在智慧农业中的应用原理和关键技术；2. 掌握嵌入式系统在智慧农业中的应用实例；3. 学会使用嵌入式开发工具和平台，进行智慧农业项目开发；4. 提高学生的实践能力和创新意识。

三、实训内容1. 嵌入式系统基础知识（1）嵌入式系统概述：介绍嵌入式系统的定义、特点、分类及发展历程。

（2）嵌入式处理器：讲解常见的嵌入式处理器，如ARM、MIPS、AVR等，并比较其优缺点。

（3）嵌入式操作系统：介绍常见的嵌入式操作系统，如Linux、FreeRTOS、uc/OS 等，并比较其特点。

2. 智慧农业应用实例（1）环境监测：讲解如何利用嵌入式系统实现温室大棚、农田等环境监测，如温湿度、土壤水分、光照等。

（2）智能灌溉：介绍如何利用嵌入式系统实现精准灌溉，提高水资源利用率。

（3）智能施肥：讲解如何利用嵌入式系统实现精准施肥，提高肥料利用率。

（4）智能植保：介绍如何利用嵌入式系统实现无人机植保，提高农药利用率。

3. 嵌入式系统开发工具与平台（1）嵌入式开发工具：讲解Keil、IAR、Eclipse等常用嵌入式开发工具的使用方法。

（2）嵌入式开发平台：介绍STM32、Arduino、ESP8266等常用嵌入式开发平台的特点和应用。

4. 智慧农业项目开发（1）项目需求分析：根据实训要求，分析智慧农业项目的需求，明确项目目标。

（2）硬件选型：根据项目需求，选择合适的嵌入式处理器、传感器、执行器等硬件设备。

嵌入式多传感器智慧农业系统设计与实现目录一、内容综述 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (4)1.3 研究内容与方法 (6)二、系统需求分析与设计原理 (6)2.1 功能需求分析 (7)2.2 性能需求分析 (8)2.3 设计原理与框架 (10)三、嵌入式硬件系统设计 (11)3.1 硬件平台选择 (13)3.2 多传感器模块设计 (14)3.3 处理器与存储设备选择 (16)3.4 电源管理系统设计 (17)四、嵌入式软件系统设计 (19)4.1 操作系统选择 (20)4.2 驱动程序开发 (21)4.3 中间件与应用软件开发 (23)4.4 系统集成与测试 (24)五、多传感器数据融合与智能决策 (25)5.1 数据采集与传输 (26)5.2 数据预处理与特征提取 (27)5.3 多传感器数据融合算法 (28)5.4 智能决策与控制策略 (30)六、系统集成与测试 (31)6.1 系统集成方案 (33)6.2 功能测试与性能测试 (34)6.3 质量评估与优化改进 (36)七、结论与展望 (37)7.1 研究成果总结 (38)7.2 存在问题与不足 (39)7.3 后续研究方向与展望 (40)一、内容综述嵌入式多传感器智慧农业系统设计与实现是当前农业科技创新领域的重要组成部分。

随着物联网技术和嵌入式系统的高速发展，传统的农业管理模式正逐渐向智能化、精细化转变。

智慧农业系统作为这一变革的核心载体，其设计与实现对于提高农业生产效率、优化资源配置、提升农产品质量等方面具有重大意义。

本报告主要介绍了嵌入式多传感器智慧农业系统的设计与实现过程。

该系统通过集成多种传感器技术，实现对土壤、气候、作物生长状态等关键信息的实时监测与数据分析。

结合先进的农业知识与模型，进行智能化的决策支持，从而为农业生产的精细化管理提供可靠的技术支撑。

嵌入式多传感器智慧农业系统设计涵盖了硬件选型与设计、软件开发、数据处理与分析、智能化决策等多个环节。

基于虚拟现实技术的智能农业系统设计与开发智能农业系统设计与开发：基于虚拟现实技术的农业未来随着科技的进步和智能化的发展，农业领域也开始逐渐引入先进的技术，以提高农业生产效率和农产品质量。

在这个背景下，基于虚拟现实技术的智能农业系统的设计与开发成为了一个备受关注的研究领域。

本文将深入探讨智能农业系统的设计与开发，并重点介绍其基于虚拟现实技术的应用。

一、智能农业系统的设计与发展概述智能农业系统是指利用物联网、云计算、大数据等先进技术，将农业生产过程数字化、自动化、智能化的系统。

其目的是提高农业生产效率、降低生产成本、改善农产品质量、推动农业的可持续发展。

在设计与开发智能农业系统时，需要考虑以下几个方面：1. 传感器技术的应用：通过传感器获取土壤、气象、水质等环境信息，实现对农田的实时监测；2. 数据采集与处理：将传感器获取的数据进行采集、传输和处理，生成农业生产过程相关的信息；3. 决策支持系统：根据采集的数据和历史信息，为农民提供科学的决策支持，提高农业生产效率；4. 自动化技术的应用：通过控制系统和机械装置，实现农田的自动化种植、施肥、浇水等作业；5. 虚拟现实技术的应用：通过虚拟现实技术，创造出农业生产的虚拟环境，实现农民的远程操作和培训。

二、基于虚拟现实技术的智能农业系统开发1. 虚拟农田的建立基于虚拟现实技术，可以建立一个真实感的虚拟农田。

农民可以通过穿戴式设备进入这个农田，在虚拟环境中观察作物生长、天气变化等情况。

通过模拟真实场景，在没有实际作物的园区中进行实验和培训，提高农民的技能和经验。

2. 虚拟农业生产过程模拟利用虚拟现实技术，可以对农业生产过程进行模拟和预测。

通过将环境参数输入到虚拟模拟系统中，可以得到关于作物生长、施肥、浇水等农业活动的结果。

农民可以在虚拟环境中测试不同的农业策略，选择最优的方案。

3. 远程农田监控与作业在智能农业系统中，通过传感器和相机等设备，可以对农田进行实时监测，并将数据传输到虚拟环境中。

嵌入式系统设计在智慧农业中的应用引言：随着科技的不断发展和人口的不断增长，农业面临着越来越大的挑战。

为了提高农业生产的效率和质量，智慧农业应运而生。

智慧农业利用先进的技术和系统，集成传感器、无线通信、数据分析等技术，实现农业生产的自动化和智能化。

而嵌入式系统设计在智慧农业中发挥着重要作用，本文将重点探讨嵌入式系统设计在智慧农业中的应用。

一、智能环境监测嵌入式系统设计可应用于智慧农业的环境监测中。

通过嵌入式系统设计，可以实时监测并记录土壤湿度、温度、光照等环境参数。

这些数据可用于帮助农民合理安排灌溉、控制温度、优化光照等，从而提高农作物的产量和质量。

二、精准灌溉管理利用嵌入式系统设计，可以实现精准灌溉管理，解决传统农业中因灌溉不均匀而导致的水资源浪费和土壤盐碱化等问题。

嵌入式系统设计应用于智慧农业中的自动灌溉系统，可以根据土壤的湿度和植物的需水量，智能地控制灌溉设备的开启和关闭。

这样可以实现每一块土地的灌溉量精确控制，提高水资源的利用率，降低农民的经济负担。

三、智能气候调控嵌入式系统设计在智慧农业中的应用还可实现智能气候调控。

通过嵌入式系统设计，可以实时检测环境温度、湿度、二氧化碳浓度等指标，并根据作物的生长需求，自动调控温室或大棚内的环境条件。

合理而精确的气候调控有助于提高作物的生长速度和产量，并且避免极端气候条件对农作物生长的不利影响。

四、智能化养殖管理嵌入式系统设计广泛应用于智慧农业中的智能化养殖管理。

通过嵌入式系统设计，养殖区域可以实现实时监测和控制。

传感器可以监测水质、温度、氧气和饲料的浓度等指标，通过嵌入式控制器，可以自动控制水位、光照和饲料供应等。

这种智能化养殖管理可以提高养殖效率、减少人工劳动成本，并且增加动物福利，提高产品的质量和安全性。

五、农业无人机应用嵌入式系统设计还可以应用于智慧农业中的农业无人机。

无人机配备了嵌入式系统，可以通过无线传感器获取农田的作物状态和土壤情况，为农民提供全面的农田巡视服务。