基于ARM系统的银杏苗圃培养系统设计

第1章绪论1.1研究背景与意义银杏树适应力强，耐干旱与特殊的土壤环境，生命力旺盛，具有较强的观赏性和药用价值在我国的分布范围广[1]。古银杏树被尊为“国树”,象征着华夏民族百折不挠,坚韧不拔的传统精神,是研究中国文化的宝贵资料[2]。银杏叶含有黄酮和萜内酯类化合物等多种次生代谢物,具有重要的药用价值,银杏叶片中的药用有效成分在银杏幼树的叶片中含量较高[3]。银杏苗圃培育是银杏产业发展的关键环节之一。由于银杏树种的特别和稀有,需要格外重视对其的保护和培育[4]。目前国内银杏苗圃培养尚处于传统手工管理状态，缺乏对环境、温度等各种因素的精细控制，不能满足市场需求。传统的银杏苗圃培养方式存在许多问题，如人工操作不稳定、信息反馈慢、监测不准确等。因此，如何采用先进的技术手段来实现银杏苗圃自动化控制、监测和管理，成为了推进银杏产业发展的重要问题[5]。ARM是一种全球领先的嵌入式微处理器技术，它广泛应用于移动设备、智能家居、工业控制、物联网等领域。该系统性能良好、安全可靠、操作简便、成本低廉,能有效监测室内环境质量[6]。可实现对环境、温度等因素的精细控制和管理。因此基于ARM系统的银杏苗圃培养系统，可以有效解决传统的银杏苗圃培育方式存在的问题，提高银杏苗圃的生长率和质量，提升银杏产业的发展水平。通过自动化监测和调控环境和温度等因素，可以使银杏苗圃的生长环境更稳定和合理，从而提高银杏苗圃的生长率和质量。使用主机MCU集成安全系统,并使用ARM处理器的ADC将温度值转换为数字形式[7],能够实现对环境、温度等因素的自动化监测和调控，从而为银杏苗圃的健康生长提供保障，缩短生长周期。基于ARM系统的银杏苗圃培养系统与现代信息技术紧密结合，能够实现数据采集、分析和控制等功能。基于ARM系统的银杏苗圃培养系统能够实现银杏产业的可持续发展，从而为环境保护和经济发展做出贡献[8]。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状银杏苗圃是银杏种植的起点，银杏树在幼苗期需要精细管理和培育，才能保证幼苗在后期正常生长。传统的银杏苗圃培育方式主要采用人工操作，其中包括浇水、施肥、修剪等环节，这些操作往往需要大量的人力和物力投入，同时对于环境、温度等因素的调控也非常有限，导致银杏苗圃的生长速度不稳定，生长质量也不尽如人意。为了解决传统的银杏苗圃培育方式存在的问题，国内有许多学者和企业开始研发基于先进技术的银杏苗圃培养系统。例如，中国科学院合肥物质科学研究院的刘志红教授等则研发了一种基于智能控制和微生物技术的银杏苗圃培育系统，该系统可以实现对银杏苗圃的温度、湿度、光照等因素的自动化监测和调控，同时利用微生物技术提高银杏苗圃土壤中有机质含量和微生物群落结构，从而促进银杏苗圃健康生长[9]。在农业领域，基于ARM的技术手段被广泛研究和应用。例如，清华大学的陈宝国教授等研发了一种基于ARM的智能化温室控制系统，对大棚内的温度、湿度、光照强度等蔬菜生长环境因素进行深度研究，使其能够适应各种条件以及环境参数下的最佳调控，从而提高蔬菜的产量和质量[10]。在林业生产中，基于ARM系统的技术手段可以实现自动化管理，减少人工参与，提高生产效率和降低成本。因此，在银杏苗圃培养领域中，采用基于ARM的技术手段进行苗圃管理是十分可行的[11]。目前，国内尚未出现完全针对银杏苗圃培养的基于ARM系统的综合管理平台。但是，一些相关的研究已经开始涉及到了银杏苗圃培育方面。例如，上海交通大学的吴永坤教授等利用无线传感器网络技术，研发了一种基于ARM系统的植物生长环境监测和控制系统，可以实现对灌溉、施肥、光照等因素的自动化监测和控制，从而提高植物生长的质量和效率[12]。中国农业科学院蔬菜花卉研究所的田宇教授等也利用基于ARM的技术手段，研发了一种智能化温室花卉种植管理系统，可以实现对温室内环境因素的实时监测和调控，从而提高花卉的产量和质量[13]。根据以上的研究成果，我们可以将银杏苗圃培育的需求与ARM技术相结合，设计并开发出一款针对银杏苗圃培育的智能化管理系统。该系统可以实现对银杏苗圃的温湿度、光照强度、土壤湿度等因素的实时监测和调控，同时可以通过数据分析和处理，为银杏苗圃提供最优的生长环境。另外，该系统还可以实现远程监控和管理，方便用户随时了解银杏苗圃的生长情况，并进行远程操作控制，从而提高生产效率和降低成本。1.2.2国外研究现状银杏是原产于中国的古树,因其观赏性强、抗病、抗污染等优点而被世界各地广泛栽培[14]。银杏的种植需要从幼苗开始，在苗圃中精心培育，才能保证树木成长稳定、生产高效。基于ARM系统的银杏苗圃培养系统在国外也受到了广泛关注和研究。银杏的种植在欧洲和北美等地区已有较为成熟的经验和技术，但由于气候和环境等因素的差异，不同地区的银杏苗圃培育方式也存在差异。例如在法国，银杏苗圃通常采用人工或机械喷灌滴灌技术，同时会加入适量的有机肥料，以提高土壤质量和促进植物生长；而在美国，银杏苗圃则更多采用自动化灌溉、施肥和控制温度等技术[15]，大大提高了生产效率和质量。近年来，随着科技的不断发展和应用，国外的银杏苗圃培育也开始向智能化和自动化方向发展。例如，德国多特蒙德工业大学的研究人员则研发了一种全自动化的植物生长室，可以实现对光照、温度、湿度等因素的精准控制，同时可通过无线网络远程控制和监测，实现对植物生长过程的全面管理。ARM系统是一种低功耗、高性能的嵌入式微处理器技术，已广泛应用于移动设备、智能家居、工业控制和物联网等领域。例如，美国加州大学戴维斯分校的研究人员利用基于ARM的嵌入式系统开发了一种智能化水稻田管理系统，可以实现对灌溉、施肥、氮素含量等因素的自动化监测和调控，从而提高水稻的产量和质量。英国伯明翰大学的研究人员则研发了一种基于ARM的智能化牛舍管理系统，可以实现对牛舍内温度、湿度、二氧化碳含量等因素的实时监测和控制，从而提高牛的生长效率和健康状况。在银杏苗圃培育领域中，基于ARM系统的技术手段也具有很大的潜力和优势。目前，国外已经有一些研究机构和企业开始涉及到基于ARM系统的银杏苗圃培育研究。例如，美国哈佛大学医学院的研究人员利用传感器技术和机器学习算法，研发了一种基于ARM的植物生长监测系统，可以实现对植物生长环境的实时监测和调控，并通过机器学习算法进行数据分析和预测，提高银杏苗圃的生产效率和质量。英国谢菲尔德大学的研究人员则开发了一套基于ARM的智能温室管理系统，可以自动控制温度、湿度等环境参数，同时可通过移动设备进行远程监测和操作[16]。随着智能化技术的不断发展和应用，基于ARM系统的银杏苗圃培养系统必将成为林业智能化发展的重要方向之一，推进银杏产业的可持续发展。1.3本文主要研究内容设计由两个设备组成，手机上位机、嵌入式下位机。手机上位机主要用于显示苗圃的环境信息，包括温湿度值、光照值、土壤湿度值，同时能够起到数据处理的功能。通过自适应生长管理调控算法设计不同生长周期阈值。输入控制指令对下位机进行控制。同时能够使用上位机控制系统，能够在系统出现环境异常时进行震动报警。下位机则是负责采集参数，同时能够执行上位机下达的控制指令。主要通过传感器检测苗圃内的湿度、温度情况、光照状况以及土壤湿度情况，利用STM32控制器控制显示、手动或者自动控制灌溉、施肥、补光、捕虫装置。

第2章技术选择2.1ARM系统ARM处理器是一个处理效率高的处理器，是一个先进的指令集处理器架构。指令集是计算机硬软件开发的基础，架构比较具体，决定了计算机系统的可靠性能，两者协同设计，可以有效的降低成本。ARM它占所有32位嵌入式处理器的三分之二，ARM处理器在嵌入式系统设计中使用居多，适用于大多数的网络领域，发展趋势广阔。所以本设计主要采用CortexM3，它是ARMv7m架构的。ARM处理器非常的经济实惠，体积小不占空间，拥有超强的性能，非常低的功耗，大约在10W以内。而且ARM主板很少热，能够让主板的使用年限更久，使用ARM系统开机速度比其他的快；此外数据安全性能高，采用高度集成的方式，使数据大多都在寄存器中完成，大量使用执行速度很快，不易受病毒的侵害；还可以根据用户的需求灵活配置，降低成本。ARM系统目前应用非常广泛，M系列专为小型、低功耗、高效节能的装置而设计，它的一个最大特点是它所包含的多种芯片组都有自己独特的功能，其中一些芯片组能够提供多种不同的功能，用于各种不同应用中。如工业控制、无线通讯、网络设备、可穿戴设备、智能家居、语音及视频处理的优化、数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机、数码相机和打印机等。2.2控制器2.2.1STM32单片机介绍STM32F103C8T6是一种单片机，相当于人的大脑一样，是核心控制器，具有高性能、低功耗和高集成度等特点[17]。STM32F103C8T6具有多达72MHz的主频、64KBFlash和20KBSRAM的存储空间、64引脚的LQFP封装、10位ADC和多种通讯接口（如SPI、I2C和USART），可用于各种微控制器应用，如家电、汽车、医疗设备、工业自动化等领域。此外，STM32F103C8T6还支持多种外围设备和功能，如实时时钟（RTC）、看门狗定时器（WDG）、DMA控制器等，并且具有多种保护措施，如过压保护、温度保护和欠压保护等。STM32F103C8T6的编程环境包括Keil、IAR和GCC等，用户可以根据自己的需求选择适合自己的编译器进行开发。此外，STM32F103C8T6还提供了完整的软件库和示例代码，方便用户快速上手和开发。有很广泛的应用领域，具有良好的市场前景和潜力。可以与各种传感器进行实时数据采集和远程控制。利用其片内资源，采用模块化设计，开发周期短、成本低。2.2.2单片机最小系统STM32F103C8T6最小系统是一个完整的、带有芯片和外围电路的嵌入式控制系统，可广泛应用于各种工业、家电等领域。STM32F103C8T6最小系统通常包括以下几个硬件部分：STM32F103C8T6芯片：芯片内置了ARMCortex-M3内核，以及大量的存储器、外设和接口。它是整个系统的核心部件。时钟电路：该电路提供了芯片运行所需的稳定时钟信号。通常使用晶振或者外部时钟源来提供时钟信号。外设电路：该电路包括与芯片相连接的外设，例如LED灯、按键、液晶显示屏等。电源电路：该电路为整个系统提供电源，内置低功耗模式，支持多种模式切换。调试电路：该电路可以方便地调试整个系统，通常使用JTAG或SWD接口。STM32F103C8T6最小系统还需要一些必要的软件支持，如开发环境、编译器、库文件等。在实际应用中，STM32F103C8T6最小系统通常会基于不同的应用需求进行不同的改进和扩展，例如添加更多的外围设备、改变时钟源等。总之，STM32F103C8T6是一款功能强大、性能稳定、易于开发的单片机，是一个完整的嵌入式控制系统，需要硬件电路和软件支持来实现各种应用功能，适用于苗圃培养系统。下图2.1为STM32F103C8T6单片机实物图：图2.1STM32F103C8T6单片机实物图2.3通信器由于此设计需要与手机终端进行无线通信，将下位机采集到的信息上传至上位机系统，在下位机与上位机两者之间要想建立联系，则需要使用通讯模块来实现。蓝牙串口通信是一种基于异步传输模式的短距离数据传输技术。它可以在不中断应用程序的情况下，让手机端主机与单片机从机之间进行数据传输。在通信时，两端配对成功后两者建立联系，从而达到收发数据的功能。本设计采用一对一的串口数据，无线通讯，保证不被别的设备查找。采用HC-06蓝牙串口通信的传输波特率可以很快，数据传输距离10m或者是100m以内，传输距离不会因为波特率的提高而很快衰减，传输数据量大、体积小、便于集成、超低功耗、低成本、灵活安全、高可靠性、操作简单等特点。蓝牙串口如图2.2所示：图2.2蓝牙串口图2.4液晶显示器在对系统进行设计的过程当中，由于采集的各种信息参数需要实时的显示，选用7针OLED液晶显示器，该显示器由TFT-LCD、驱动电路、电源电路等组成。是自发光器件，在黑暗环境下也有相当不错的视角和显示特性，在进行工作时具有较高的稳定性，功耗低、尺寸小、屏幕大、分辨率很高，由于其采用了多点显示设计方式，因此可以显示较多的内容。2.5传感器2.5.1光照传感器为了能够实现光照采集的功能，获取外界光照强度，则需要使用光照传感器，本装置为了能够降低开发成本，提高灵敏度，因此采用到了光敏电阻传感器，具有四个引脚。可以利用光能产生一种高速的电信号，内部电阻能够随着光照强度的改变而改变，从而实现不同的电压输出，通过后期的矫正能够得到相应的光照强度数值。利用单片机系统控制可实现外部的自动补光功能。光敏电阻传感器如下图2.3所示：图2.3光敏传感器2.5.2温湿度传感器在进行温湿度采集的过程当中，所使用到的温湿度传感器为DHT11温湿度传感器，传感器内置电阻式感湿元件、测温元件和一个高性能8位单片机[18]。通过与单片机微处理器之间采用单总线数据格式，单个数据引脚完成输入输出双向传输，可以将传感器内部的数据经过校验方式一次性的传输给单片机，确保了数据具有极高的可靠性和长期稳定性。该传感器具有结构简单、体积小、低功耗以及检测速度快的优点，同时与外部之间进行连接时也较为简单，因此能够满足本次系统的基本需求。温湿度传感器DHT11如下图2.4所示：图2.4DHT11传感器2.5.3土壤湿度传感器由于银杏苗圃对土壤的要求很高，耐旱怕涝，要确保银杏的根部呼吸，防止因为土壤水分过多导致根系腐烂。土壤湿度传感器可以实时监测土壤湿度，准确地测量植物所需的水分。电容式土壤湿度传感器是由一个带有一定形状的弹性薄膜的金属电极与一对互相绝缘的电极板组成。当施加在金属电极上的电压超过薄膜的介电常数时，薄膜会发生形变，进而改变它与金属电极间的电容，并将电压信号转变成电信号。当土壤中没有水分时，其电容值就会很小。电容式土壤湿度传感器结构简单，检测灵敏度高、检测精度高等优点，在苗圃培养中使用非常合适，故选用YL-69土壤湿度传感器。电容式土壤湿度传感器如下图2.5所示：图2.5电阻式土壤湿度传感器2.6开发环境介绍2.6.1硬件开发环境本设计采用AltiumDesigner进行硬件电路图的绘制，将所有所需要的元器件的电路图绘制出来，方便实物的制作。AD中有多种原理图符号，很完善的连接方式，可以很好地设计原理图。还包括设计检查功能，有效的帮助设计者认识到布线的规则，强大的信号仿真帮助解决信息的干扰和噪声问题，综合了嵌入式系统软件设计，更加高效的完成电路设计，提高工作效率。2.6.2软件开发语言与开发环境本设计采用C语言来编写，C语言从一开始就很流行。在目前有多种编程语言的情况下，C语言的使用频率仍然很高，目前C语言主要用于计算机系统开发和应用程序代码编程领域。C语言是一种面向过程的、抽象的、非常简单的编程语言。他可以解决各种编程问题，是间接面向机器的终极语言，编程效率高，生成的目标代码简洁而直观，代码量小，运行速度快。同时，C语言具有很强的可读性和可移植性，可以在各种计算机操作系统中稳定高效地运行，此外，还可以直接访问硬件设备。用KeilVision5进行程序开发，它支持ARMCortex-M处理器的设备，此软件是集成开发环境，用于对控制器进行编写，还支持多种编写语言，在此主要采用C语言。配置灵活的代码编译器可以达到更高的编译效率和准确性。强大的调试功能能够快速诊断代码中的问题，提高调试效率。提供仿真功能，让使用者能够在没有硬件的情况下模拟开发测试，更好地了解熟悉代码。此外，用户界面也很现代化，非常直观，方便设计。开发环境如图2.6所示：图2.6开发界面用E4A手机编程软件完成上位机的设计，E4A是中文可视化的编程软件，纯中文的编写代码，同时也方便用户的查看与理解，它主要应用于安卓平台系统。还具有强大的智能语法提示功能，方便编写。功能很完善，可以开发许多的小软件。本设计主要是使用E4A制作蓝牙串口数据收发。E4A软件使用如图2.7所示：图2.7开发界面第3章系统总体设计3.1整体需求分析(1)该系统能够通过温度以及湿度传感器实时采集苗圃种植园的环境，下位机系统在进行工作的过程中能够通过实时检测温度以及湿度的数值判断苗圃环境，当检测到苗圃环境异常时能够报警，同时能够按键设置最为适宜的苗圃生长环境参数，采集的温度湿度能够上传上位机系统，上位机系统在接收到数据信息后，对数据进行处理，同时能够判断数据是否异常，当异常时能够通过指令下发的方式控制下位机系统进行报警。(2)系统能够实现自动灌溉的功能，下位机装置在工作的过程汇中能够通过土壤湿度传感器装置实时采集土壤湿度状况，土壤湿度状况能够通过数据通信上传至上位机系统中，上位机系统通过内部数据设定进行计算处理，利用判断算法计算是否需要进行灌溉，当系统需要灌溉时能够将灌溉指令进行下发，下位机接收到上位机的处理指令后能够根据指令信息。(3)系统能够检测苗圃的光照状况，可以在设计的过程中进行自动补光设计，同时利用上位机显示相关的照明度。(4)可以设置自适应调节系统，将苗圃的生长周期设定为不同的生长状态，上位机系统能够根据判断确定苗圃的不同生长状态，根据上位机的不同生长状态进行算法设计，执行不同的灌溉，补光以及温度报警数值，起到自适应调节的功能。(5)在幼苗生长的过程当中，可以启动不关灯系统进行捕捉害虫，当有害虫时，便能够通过捕虫灯进行消灭。(6)上位机系统能够进行判断幼苗的生长状态，能够根据幼苗的不同生长状态进行控制施肥。(7)加入摄像头模块，实时监控，远程观察，更加直观的看见苗圃的生长状态和异常情况。3.2整体方案设计上位机系统，该系统具备自适应生长管理调控算法，能够在设计的过程中根据银杏苗圃的不同生长周期进行计算，不同的生长周期对于土壤湿度，以及光照的照射条件不同，能够在运行的过程中自动实现算法的设计，根据不同的判断实施条件进行下达控制指令，同时也能够手动控制，利用上位机下发指令信息，相应的显示数据采集内容。下位机系统，可进行数据采集，利用传感器将采集到的数据实时处理，转化成可识别的数据量，同时记录实时的数据上传，接受来自上位机的控制命令，能够根据命令进行控制灌溉以及补光，同时可以控制捕虫灯以及施肥单元的工作，下位机系统能够实现实时显示的功能。利用ARM系统对银杏苗圃进行的培养，通过温度以及湿度传感器实时采集银杏苗圃种植园的环境，其中相关设计系统进行工作的过程中能够通过实时检测温度以及湿度的数值判断银杏苗圃环境，当检测到银杏苗圃环境异常时能够报警，同时能够按键设置最为适宜的银杏苗圃生长环境参数，采集的温度湿度能够上传系统，系统在接收到数据信息后，对数据进行处理，同时能够判断数据是否异常，当异常时能够通过指令下发的方式控制下位机系统进行报警。该银杏管理系统也能够实现自动灌溉的功能，相关装置在工作的过程中能够通过土壤湿度传感器实时采集土壤湿度，并将数据传给单片机，通过蓝牙通信上传到上位机中，并通过内部数据设定进行计算处理，利用判断算法计算是否需要进行灌溉，当系统需要灌溉时能够将灌溉指令进行下发，接收到处理指令后能够根据指令信息进行灌溉。能够检测银杏苗圃的光照状况，光照不足时进行自动补光。银杏幼苗生长过程中，启用捕虫灯对害虫进行捕捉。能够通过上位机判断幼苗生长状态进行相应的施肥。设置自适应调节系统，将银杏苗圃的生长周期设定为不同的生长状态，上位机系统能够根据判断确定银杏苗圃的不同生长状态，根据上位机的不同生长状态进行算法设计。设计框图如下3.1所示：手机APP液晶显示器单片机控制器手机APP液晶显示器单片机控制器数据显示温湿度传感器数据显示温湿度传感器灌溉装置灌溉装置自适应生长周期算法设计施肥单元土壤湿度传感器自适应生长周期算法设计施肥单元土壤湿度传感器补光装置补光装置捕虫灯捕虫灯控制指令输入光照传感器控制指令输入光照传感器按键控制按键控制图3.1整体方案设计框图第4章系统硬件设计4.1下位机设计下位机功能图如图4.1所示：下位机下位机液晶显示器水泵电机摄像头捕虫灯传感器单片机按键模块液晶显示器水泵电机摄像头捕虫灯传感器单片机按键模块图4.1功能图4.2单片机复位电路复位电路主要是把特殊功能寄存器的数据刷新成默认数据[19]，在单片机中，复位按键是非常重要的，在运行过程中由于外界原因造成寄存器中数据混乱不能正常使用时需要进行按键复位，此外，单片机刚上电时也需要复位操作。例如温湿度的复位。设置DHT11复位名称为DHT11_Rst。首先，通过调用函数DHT11_IO_OUT（）将DHT11_DQ_OUT设为输出模式。接着设为低电平并延时20毫秒，以使传感器进入接收模式。然后，设为高电平并延时30微秒，以启动数据传输。相关代码如下：4.3土壤湿度程序设计进行通信时，AO模拟输出通过PA1引脚ADC模数转换成数字信号，转换完毕后，将得到的采集数据写入单片机，经过延时数据处理操作后，显示屏得到转换后的数字信号数据。将采集到的数据信息通过蓝牙通信单元上传数据到手机终端。在得到土壤湿度数据之后，若土壤湿度过低将会启动水泵自动进行灌溉施肥。程序设计流程图与土壤湿度采集图如下图4.2所示：开始开始开始开始系统初始化系统初始化启动ADC采集通道启动ADC采集通道土壤湿度采集土壤湿度采集转换完毕?转换完毕?数据处理与显示NN数据处理与显示Y是否灌溉？YY是否灌溉？处理数据处理数据延时开启水泵延时开启水泵取转换后的数值取转换后的数值关闭水泵灌溉是否结束N关闭水泵灌溉是否结束结束Y结束图4.2ADC采集图与土壤湿度流程图函数中首先定义了ADC_InitTypeDef和GPIO_InitTypeDef分别用来存储ADC的初始化参数和GPIO的初始化参数。通过调用函数RCC_APB2PeriphClockCmd()开启GPIOA和ADC1的时钟，调用函数RCC_ADCCLKConfig()设置ADC时钟为PCLK2时钟的1/6。定义GPIO_InitStructure结构体设置GPIOA的0、1号引脚为模拟输入模式。通过调用函数ADC_DeInit()将ADC1的所有寄存器恢复到默认值。对ADC1进行初始化，调用函数ADC_RegularChannelConfig()设置ADC1转换通道0、1，调用函数ADC_ResetCalibration()开始ADC1的校准。Get_Adc函数用于读取指定通道的ADC值，ADC_RegularChannelConfig函数配置ADC采样通道和采样时间，ADC_SoftwareStartConvCmd函数使能ADC转换操作，转换完成得到转换结果。Get_Adc_Average函数封装，用于多次读取ADC值并求平均值，以提高数据准确性。相关代码如下：4.4温湿度程序设计该温湿度传感器在进行使用的过程当中主要分为三个引脚，分别为GND以及VCC和DATA。分别与STM32的GND、VCC以及PB2引脚相连。首先初始化传感器，确定是否存在，检测DHT11传感器的响应并确定是否成功读取其数据的。在读取数据前，确保传感器已经准备好发送响应。如果检测到响应，表示传感器已经准备好发送数据，并且读取函数可以开始读取传感器数据。通过DHT11_Init函数的作用是初始化DHT11传感器，通过对其进行GPIO口的设置，以便后面进行读取。通过调用DHT11_Rst、DHT11_Check和DHT11_Read_Byte等函数，实现对DHT11传感器的操作DHT11_Read_Data函数的作用是读取传感器数据，并将其转换，获得温度和湿度值。相关代码如下：4.5光照程序设计在光照程序设计中，首先初始化传感器，确定是否存在，存在，则进行下一步，不存在返回上一步，若存在，进行光照传感转换命令的编写，检测是否编写完毕，编写完毕则处理并显示光照数据，如果光照强度超过阈值，则直接返回结束，如果连续几天光照过低，则开启补光灯进行补光，补光完成后返回结束。光照流程图如下图4.3所示：开始开始初始化初始化传感器存在？N传感器存在？光照转换命令Y光照转换命令转换完毕N转换完毕处理并显示数据Y处理并显示数据超过阈值？超过阈值？补光N补光结束Y结束图4.3光照流程图使用了一个叫做GPIO_InitTypeDef的结构体函数来设定GPIO的各项参数，包括引脚的Pin数、模式（输入或输出）、速度等。然后通过RCC_APB2PeriphClockCmd函数开启GPIOB的时钟，最后调用GPIO_Init函数对GPIOB的相关引脚进行初始化，同时设置引脚为输出模式（GPIO_Mode_Out_PP）并设定速度为50MHz。相关代码如下：4.6液晶显示设计将OLED液晶显示器中的D0时钟线接PB13,D1数据线接PB12，DC和RES口与单片机的IO口进行连接，将模拟信号或数字信号转换成二进制数，可以通过液晶显示器内的微处理器对输入数据进行处理，把需要显示的字符转化成数字信号，采用4线SPI通信方式，编写程序代码，初始化SPI接口，设置模块参数和初始化指令，通过SPI接口输出到液晶显示器上。液晶显示器流程图如下图4.4所示：图4.4液晶显示流程图OLED_Init()：初始化OLED，GPIO_InitTypeDef和RCC_APB2PeriphClockCmd用于设置管脚的输入输出模式和设置相应的时钟。OLED_WR_Byte()该函数用于向OLED屏幕写入数据。OLED_DisPlay_On()函数打开OLED屏幕显示，同时设置亮度为最高状态。OLED_DisPlay_Off()函数关闭OLED屏幕显示。OLED_Refresh()该函数将OLED_GRAM数组中的数据刷新到OLED屏幕上。OLED_Clear()该函数用于清空OLED_GRAM数组中的数据。然后通过调用OLED_Refresh()函数，将清空后的屏幕刷新。部分相关代码如下：4.7按键程序设计本设计中含有五个按键，分别实现不同的功能，可以打开或关闭捕虫灯、调节银杏生长的周期（早期、中期、晚期）、调节阈值、调节手动和自动模式。首先要进行程序的初始化，通过对按键的使用来手动调节不同的时期以及设置不同的阈值，同时也能调节手动与自动模式，按键调节成功后，发送至控制器，通过显示器显示出调节后的模式或者是阈值，通过蓝牙串口，发送至手机上位机，实现数据同步。按键显示流程图4.5如图所示：开始开始初始化初始化按键扫描按键扫描按下按键？按下按键？处理并显示数据处理并显示数据保存并发送数据保存并发送数据图4.5按键显示流程图KEY_Init（）函数对按键控制端口进行初始化。使用GPIO_InitStructure对GPIOB进行初始化，使能GPIOB的时钟，设置GPIOB的引脚为输入模式，带上拉电阻。相关代码如下：4.8捕虫灯与摄像机设计由于银杏苗圃中在银杏幼苗时期抗病虫害能力弱，会出现超小卷叶蛾、枯叶夜蛾等多种趋光性的害虫，而且这些虫类附着在银杏幼苗的叶面上会对银杏苗的生长产生影响，使用捕虫灯，利用虫子的趋光性来引诱和捕杀昆虫，从而防治害虫，提高银杏苗的生长质量。在苗圃中加入摄像机，可以实时视频监控苗圃内部及周边动态，此外可以视频录像存储，还能通过实时的采集苗圃中的图像信息，让种植户更加直观的远程观察苗圃的长势，时刻了解苗圃中的异常情况。两个模块的GND、VCC直接与单片机的电源接口相连。

第5章系统软件设计5.1上位机设计上位机功能图如图5.1所示：上位机上位机自适应算法人机交互数据管理自适应算法人机交互数据管理设置阈值设置周期按键输入远程控制数据处理数据显示设置阈值设置周期按键输入远程控制数据处理数据显示图5.1功能图5.2自适应算法它是一种智能控制算法，具有自动学习、调整和决策的能力。能够自动获取环境信息，根据实时情况进行自动决策，自动调整系统达到最佳控制效果。在数据处理和分析过程中，根据输入数据的变化而动态调整参数或结构的算法，使其在所处理数据的统计分布特征、结构特征相适应[20]。广泛应用于信号处理、升级优化等，根据不同时期的数值分布，自适应的确定生长周期的阈值，有效解决因光照变化，其他复杂因素引起的数值不准确问题，还可以在相同的数值下，针对不用的局部区域自适应的设置阈值[21]。自适应算法可以减少人工调整时间，减少人为干预，提高运行效率。自适应生长周期算法设置步骤：（1）定义银杏树的生长周期，可以根据不同的生长阶段设定不同的周期，如幼苗期、生长期、成熟期等。（2）根据环境因素（如温度、湿度、光照等）和土壤条件（水分），设置自适应的生长周期。（3）通过传感器获取环境和土壤的数据，进行存储、分析和处理，得出适合银杏树生长的周期。（4）根据所得周期阈值，控制水肥管理和光照等因素，以达到最佳的生长效果，确保银杏苗的健康生长。5.3数据处理（1）通过温度、湿度、光照等传感器采集环境数据，并将数据传输到ARM处理器。（2）ARM处理器对采集到的数据进行预处理，计算出当前环境的平均温度、湿度、光照等指标。（3）确定生长周期：根据银杏苗的生长特性，结合当前环境数据，ARM处理器确定合适的生长周期。（4）调节光照和水分：ARM处理器根据当前的生长周期，自适应地调节光照和水分供应。在生长周期初期，增加光照和水分供应，促进银杏苗的生长；在生长周期后期，减少光照和水分供应，调节银杏苗的成熟程度。（5）数据存储和分析：ARM处理器将采集到的环境数据和银杏苗的生长数据存储在数据库中，并通过数据分析算法计算出最佳的生长周期和最佳的光照和水分供应策略，为下一次银杏苗的培育。5.4软件程序设计将采集到的数据通过蓝牙通信，实现数据上传到手机端，经过算法设计判断是否需要相应的操作，若出现异常情况，手机端发出震动报警。根据摄像头采集到的信息判断银杏苗圃的生长趋势，通过自适应生长周期来计算算法设计调整不同的生长状态所需要的各种阈值。通过手机APP实现手动或者自动控制施肥、灌溉、捕虫、补光、调整周期、设置阈值等功能，实现对下位机的控制。5.5硬软件之间通信蓝牙作为单片机与手机数据交换的媒介，蓝牙设备如同一个无限的USART，将两者进行连接。HC-06有四个引脚RXD，TXD,VCC,GND.在通信过程中需要两个USART串口，分别连接电脑与蓝牙，进行AT命令调试。在电脑中编写串口初始化、配置好串口与NVIC中断管理设置，当某个串口接收到数据时，执行中断服务函数。当PC端发送调试命令给USART1时，接受的命令再通过USART2发送给蓝牙。当蓝牙接收到调试命令，反馈结果发送给USART2，接收到的结果再通过USART1发送到PC端。调试完成后，手机端下载一个蓝牙串口助手，实现数据的发送与接收。通信图如图5.2所示：手机端蓝牙VCCVCC手机端蓝牙VCCVCCGNDGNDGNDGNDRXDPA9（TXD）RXDPA9（TXD）TXDPA10（RXD）TXDPA10（RXD）单片机蓝牙手机蓝牙图5.2通信图EN_USART1_RX串口接收中断处理函数，保存接收到的数据。USART_RX_BUF保存接收到的每一个字节，USART_RX_STA保存已接收的字节数。当USART_RX_STA等于USART_REC_LEN时，表示已经接收满了，可以进行数据处理。若接收到的是USART_IT_RXNE中断，则会将接收到的数据存储在Res变量中。然后根据USART_RX_STA状态位的值进行分别的处理。如果USART_RX_STA的最高位为0，则表示数据未接收完全，需要继续接收。如果USART_RX_STA的最高位为1，则表示当前正在等待数据的起始标志s，如果接收到的不是s，则需要将接收状态重新设置为0；如果接收到了s，则数据已经接收完全。将接收到的数据存储在USART_RX_BUF缓冲区中，并将接收状态的计数器USART_RX_STA加1，如果计数器已经达到最大值，则将接收状态重新设置为0。相关代码如下：UART1_SendSt函数用于通过串口1发送一个字符串，另一个是uart_init函数用于初始化串口1。UART1_SendSt函数中，通过循环发送字符串中的每一个字符，同时在发送一个字符之前判断上一个字符是否发送完成。也就是等待USART_FLAG_TC标志位置位，表示上一个字符已经发送完成才能发送下一个字符。uart_init函数中，首先开启串口1和GPIOA的时钟，然后分别初始化GPIOA9和GPIOA10为USART1的TX和RX引脚，并设置USART的波特率、数据位、停止位、奇偶校验等参数。同时还配置USART1的中断，使能中断并设置中断优先级。最后使能USART1。相关代码如下：将GPIOA的第9个引脚设置为GPIO_Pin_9，速度设置为50MHz，复用输出模式，即该引脚被USART1用作TX输出。通过GPIO_Init函数对GPIOA进行初始化，将GPIOA的第9个引脚设置为输出模式。将GPIOA的第10个引脚设置为GPIO_Pin_10。将GPIOA的第10个引脚设置为悬空输入模式，即该引脚被USART1用作RX输入。通过GPIO_Init函数对GPIOA进行初始化，将GPIOA的第10个引脚设置为输入模式。通过NVIC_Init函数对NVIC进行初始化，将NVIC的中断通道设置为USART1_IRQn，即对USART1的中断进行配置。将NVIC的中断优先级设置为0，设置为最高优先级。将NVIC的中断子优先级设置为3。使能USART1_IRQn中断。相关代码如下：初始化USART1串口通信的参数。USART_BaudRate：通信数据传输的速率，通过参数bound传入。USART_WordLength：数据位数，通过参数USART_WordLength_8b传入，表示8位数据位。USART_StopBits：停止位数，通过参数USART_StopBits_1传入，表示1位停止位。USART_Parity：校验位，默认为无校验位，通过参数USART_Parity_No传入。USART_HardwareFlowControl：硬件流控制，默认为无硬件流控制，通过参数USART_HardwareFlowControl_None传入。USART_Mode：串口工作模式，包括接收模式和发送模式，通过参数USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx传入，表示同时开启接收和发送模式。通过USART_Init函数来配置USART1串口通信工作模式，USART_ITConfig函数用来开启接收中断，USART_Cmd函数用来使能USART1串口模块。这样，USART1串口就可以开始工作了。相关代码如下：第6章系统的测试与调试6.1硬件系统测试与调试在整体电路设计过程中，需要使用绘图软件，使用绘图软件将各部件的模块部件放置在相应的位置，并对各部件的电路进行改进。每个模块部分设计后，每个模块与单片机连接，建立数据通信，使单片机可以直接采集模块信息。同时还需要进行相应的调试，检查所有器件的连线、焊接是否正确，以确保各电路部分没有错误的连接模式，遵循硬件电路的设计模式。步骤一：先测试温湿度传感器是否完好无破损，经过测试后发现传感器能正常使用，将预先写好的代码程序烧录到单片机后，复位。使采集到的数据从串口输出，选不同温度的环境多次测试，和标准温度计进行数据对比后发现使用正常。步骤二：先测试光照传感器是否正常，经过测试后发现能够正常工作，将烧录好的程序到单片机后，复位。如果光照过低的情况，开启补光灯，当光照过强时，关闭补光灯。多次调试温度阈值后，能够正常完成补光功能。步骤三：先测试土壤湿度传感器是否完好，测试后能正常工作，将烧录好的程序到单片机后，复位。将探头埋在银杏苗圃根部的土壤处，监测根部土壤的水分，将湿度过高和湿度过低的信号经过编译器传送至主控制器，多次调节阈值后，湿度达到阈值，则关闭电机和水泵，停止灌水或者是施肥，当湿度过低时，启动水泵，进行灌水，多次测试后，能够正常完成测试。为了验证结果的可靠性，在不同位置，与标准的温度计、湿度仪进行对比，得出以下数据。表6.1测试数据对比时间（S）10203040标准温度（c）29.428.530.329.6测量温度（c）29.328.530.229.6标准湿度（%）59.558.860.458.6测量湿度（%）59.558.760.458.6标准光照（lx）41.440.842.642.3测量光照（lx）41.340.842.642.3标准土壤湿度（%）48.649.552.351.6测量土壤湿度（%）48.649.552.351.6通过数据对比发现每个传感器均能正常使用，且检测数据准确。大量的数据表明银杏苗圃的早期最适宜生长温度为20℃以上，光照60%，土壤湿度80%左右；中期最适宜生长温度18℃，光照55%，土壤湿度60%；后期最适宜温度25℃，光照50%，土壤湿度50%。总体硬件设计实物图6.1如图所示：图6.1总体硬件设计图6.2软件系统测试与调试在软件设计过程中，本系统采用的编程语言为C语言。利用相应的绘图软件绘制程序流程图，然后以程序流程图为基础对各个模块进行程序设计。在设计各个模块时，在主程序中调用，大大减少了后期的维护，提高了代码的执行效率。打开手机终端，开启蓝牙，成功连接上蓝牙通讯模块之后，可以实时观察到银杏苗圃中的各项监测数据，还能调控阈值，切换不同的时期，并且能够实现自动化的控制。软件设计如图6.2所示：图6.2软件整体图测试结果表明：软件与硬件都已经完成，设备均能正常工作，通过软件实现对硬件的控制，完成自动与手动的调试、开启灯光和关闭灯光、开启浇水和关闭浇水、开启施肥和关闭施肥、开启捕虫灯和关闭捕虫灯、设置阈值等操作，经过多次测试完善之后，能够完成测试。

总结随着社会的发展和人们对环境保护的重视，绿化事业逐渐受到重视。银杏树作为一种国内外广泛种植的乔木，其枝叶茂盛、树形优美，具有良好的观赏价值。而银杏苗圃是培育银杏苗木的地方，因其能够有效提高银杏苗木生长的质量和数量，被广泛应用。本文基于ARM系统开发了银杏苗圃培养系统，主要包括环境监测、自动灌溉、施肥控制和智能管理等方面。在实际应用中，该系统能够有效提高银杏苗木的生长速度和品质，同时节约了大量的人力物力，因此具有广阔的应用前景。该系统采用ARM处理器，STM32作为控制器，通过各类传感器获取土壤湿度、温度、环境温湿度等信息，并进行数据采集和分析。同时，系统还设置水泵、施肥电机等控制装置，实现对银杏苗木的自动灌溉、施肥调节等功能。最终，通过液晶显示屏实时展示各项数据，便于管理人员及时了解银杏苗木的生长情况。软件设计方面，该系统采用C语言编程，实现对各类传感器的数据采集、处理和分析，并根据不同的生长阶段进行灌溉、施肥等自动控制操作。此外，系统还设置了报警机制，一旦出现异常情况，系统就会自动报警，提醒管理人员及时处理问题。随着科技的不断发展，智能化系统已经成为现代绿化事业的重要组成部分。在未来，银杏苗圃培养系统将会有更广泛的应用，同时，基于ARM系统的智能化绿化系统也将会得到更多的关注和研究。总之，智能化系统的出现将会改变传统的林业管理模式，为绿色环保事业带来新的生机。

参考文献夏云龙,商忆聪.银杏的价值及造林管理技术[J].中国林副特产,2022(06):74-75.任西.周至县楼观台古银杏繁殖技术研究[D].咸阳：西北农林科技大学,2019.毛欣雨.不同树龄银杏叶片药用有效成分积累规律及多组学分析[D].扬州：扬州大学,2021.陈强.古银杏的生长和管理现状及保护对策[J].南方农业,2019,13(23):37-38.郑自君,杨波,王明臣.试论银杏树的栽培技术与管理措施[J].林业科技情报,2019,51(03):65-67+75.黄志芳,卢怡霖,陈旭,陈炜康,何梓杰.基于ARM处理器的智能巡游机器人[J].物联网技术,2020,10(11):47-49.SonwalkarPrakashK.,KalmaniVijay.DesignandimplementationofenhancedsecuritymodelforwirelesssensornetworkonARMprocessor[J].Measurement:Sensors,2022,24.崔灿.基于林业可持续发展的林木苗圃育苗策略[J].农业技术与装备,2023(01):113-114+117.孙文彦,彭祚登,王海东,熊建军,贾清棋,彭玉信.施用污泥制有机营养土对沙地苗圃土壤微生物的影响[J].东北林业大学学报,2023,51(05):91-97.杨兆宁.茄果类蔬菜日光温室智能化育苗关键控制技术[J].农业工程技术,2023,43(02):21-22.罗纪杰.基于ARM处理器的深度学习优化技术研究[D].成都：电子科技大学,2022.李慧贞,张攀峰,杨帆,马令坤.基于手机App的植物生长环境监测系统设计[J].传感器与微系统,2020,39(11):57-59+63.王凯强.自动化技术在温室花卉栽培及病虫害防治中的应用[J].农业工程技术,2022,42(33):53-54.BarkerCatherineS,ElstonDirkM.BotanicalBriefs:Ginkgo(Ginkgobiloba).[J].Cutis,2022,110(1).MaletsikaPersefoni,CavalarisChris,GiouvanisVasileios,NanosGeorgeD..EffectsofAlternativeFertilizationandIrrigationPracticesontheEnergyUseandCarbonFootprintofCanningPeachOrchards[J].Sustainability,2022,14(14).KirciPinar,OzturkErdinc,CelikYavuz.ANovelApproachforMonitoringofSmartGreenhouseandFlowerpotParametersandDetectionofPlantGrowthwithSensors[J].Agriculture,2022,12(10).胡孟林.基于STM32的农业大棚智能控制系统[D].天津：天津科技大学,2021.付文新,王洪丰.基于STM32单片机和DHT11温湿度传感器的温湿度采集系统的设计与实现[J].光源与照明,2022(03):119-121.杨明.C语言与汇编语言相结合实现STM32F107单片机复位方法研究[J].建井技术,2020,41(01):44-46.[20]NguyenVanTuan,NguyenVanDien,NguyenDongNhat,TranTheSon,DuyTuanDao,NguyenKhanhToan,NguyenTanHung.Anadaptivealgorithmforperformanceenhancementoflong-haulMMW/RoFsystemfornextgenerationmobilecommunications[J].InternationalJournalofAdHocandUbiquitousComputing,2022,40(4).丁一.基于改进的Canny算子与自适应阈值的边缘检测算法[J].信息与电脑(理论版),2023,35(03):176-178.附录A实物图图A.1实物图附录B相关代码1.配置LED灯部分相关代码如下：voidLED_GPIO_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//使能PC端口时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_8;//选择对应的引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);//初始化PC端口GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_8);//关闭所有LED}voidMotor_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//使能PB端口时钟GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_8;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz://IO口速度为50MHzGPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//根据设定参数初始化GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_8);//输出低}按键初始化相关代码如下：voidKEY_Init(void)//IO初始化{GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_A