物聯(lián)網(wǎng)下農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：筆者設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一系列傳感器實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。將數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32F103C單片機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理分析，同時利用WiFi通信模塊配合MQTT協(xié)議接入OneNET云平臺，完成與客戶端的數(shù)據(jù)交換，用戶可通過移動終端作為人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)送遠(yuǎn)程命令控制執(zhí)行設(shè)備調(diào)節(jié)棚內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、監(jiān)控效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高農(nóng)業(yè)大棚種植的科學(xué)化和智能化控制水平。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；溫室大棚；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；云平臺

我國農(nóng)業(yè)正逐步從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)邁進(jìn)[1]，加快突破農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，扎實(shí)推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵[2]。農(nóng)業(yè)溫室大棚智能化監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑，而現(xiàn)行的大部分溫室大棚管理理念落后，行業(yè)發(fā)展水平低，缺乏一套完善、規(guī)范的生產(chǎn)管理體系，農(nóng)業(yè)設(shè)施化水平低導(dǎo)致資源利用率低。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，對氣溫、光照、土壤含水量等指標(biāo)難以科學(xué)監(jiān)測和分析，不能準(zhǔn)確把控作物生長過程中各種養(yǎng)料的施加量，影響了農(nóng)業(yè)種植效益?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，與系列傳感器連接，實(shí)時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，及時調(diào)整大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)以達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)生長周期、提質(zhì)增產(chǎn)目的[3]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32F103C處理器作為控制單元，利用各種傳感器來采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等大棚環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為自動控制和手動控制兩種工作模式，自動工作模式是指控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)值與提前設(shè)置好的閾值范圍相比對，如果采集的數(shù)據(jù)值超出設(shè)置范圍，將自動控制執(zhí)行設(shè)備以調(diào)節(jié)溫室大棚環(huán)境參數(shù)，無需人工操作；手動控制模式是指用戶根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，手動發(fā)出指令來控制執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行一定動作。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成[4]，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。感知層是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要功能是利用傳感器來獲取農(nóng)作物生長環(huán)境情況，完成對溫室大棚環(huán)境內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集[5]；傳輸層則將感知層采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用層，并將上層發(fā)送的控制指令送達(dá)感知層；應(yīng)用層是整個系統(tǒng)最重要的部分，它處理接收到的傳感器數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果上傳OneNET云端，使用戶能在移動終端或網(wǎng)頁上訪問云平臺，遠(yuǎn)程監(jiān)測大棚內(nèi)的作物環(huán)境情況與控制大棚系統(tǒng)設(shè)備。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊、執(zhí)行設(shè)備模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)硬件組成圖如圖2所示。先通過傳感器完成對大棚各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；STM32F103C單片機(jī)是系統(tǒng)的核心，為系統(tǒng)功能的完善與開發(fā)提供了強(qiáng)大支撐；然后借助ESP8266WiFi設(shè)備模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下達(dá)；電源模塊為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

在農(nóng)作物的生長過程中，空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強(qiáng)度是影響其長勢的重要環(huán)境因素[6]，獲得這些環(huán)境參數(shù)并加以適當(dāng)調(diào)節(jié)有利于農(nóng)作物的良好生長。而大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時采集需要依賴相應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)選用DHT11傳感器采集空氣溫濕度數(shù)據(jù)，選用YL-69傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，選用MH-Z14A二氧化碳傳感器采集空氣中的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，選用BH1750FVI光學(xué)傳感器采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)傳輸模塊

WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊以ESP8266為核心芯片，ESP8266的尺寸為16mm*24mm*3mm，模塊采用3DBi的PCB板載天線。ESP8266具備無線上網(wǎng)功能，可以通過配置與單片機(jī)上的UART串口進(jìn)行通信﹐為網(wǎng)絡(luò)覆蓋提供了可能，且集成化的芯片提高了處理速度[7]。該WiFi模塊主要是將傳感器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，并將采集到的信息經(jīng)過處理上傳到OneNET平臺。

2.3控制模塊

控制模塊是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和控制各個模塊。系統(tǒng)采用STM32F103C單片機(jī)，使用的是STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)，在其使用過程中不用搭載其他電路，焊接電路時可直接進(jìn)行連接。STM32F103系列單片機(jī)為Cortex-M3內(nèi)核，具有多個外設(shè)接口，包括GPIO口、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、DMA等，單片機(jī)上資源十分豐富，穩(wěn)定性好[8]。

2.4執(zhí)行設(shè)備模塊

系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備包括加熱器、加濕器、卷簾等?？刂颇K通過分析傳感器模塊獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)出加熱、加濕、補(bǔ)光等電信號，WiFi模塊傳輸信號使繼電器動作，通過繼電器對各執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，營造出適宜農(nóng)作物生長的溫室大棚生產(chǎn)條件。繼電器是一種電控裝置，其通常作為控制元件，有擴(kuò)大控制范圍的效果[9]，繼電器可根據(jù)信號控制執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化作業(yè)。

2.5電源模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源供電分為5V供電和3.3V供電，數(shù)據(jù)采集模塊、直流電機(jī)等輸入電壓是5V。經(jīng)過LD1117芯片后，將電壓降為3.3V，此電壓可以供控制電路MCU使用，在使用上采用太陽能光伏板供電。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)所需功能以及采用的STM32F103C微控制器進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，在Keil編程軟件里利用C語言完成對程序的編寫。主程序主要從數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)傳輸程序和控制執(zhí)行程序三個部分展開設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，發(fā)送初始信號，各傳感器模塊收到信號后給予響應(yīng)，開啟工作模式，逐步采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息。單片機(jī)模塊通過無線通信模塊串口與云平臺通信，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將會在設(shè)計(jì)好的監(jiān)控界面得以展示，同時用戶可點(diǎn)擊相關(guān)操控按鍵發(fā)送控制指令至服務(wù)器，服務(wù)器接受指令下達(dá)給執(zhí)行設(shè)備，然后將執(zhí)行結(jié)果返回客戶端。

3.1數(shù)據(jù)采集

各傳感器采集溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)時，先上電初始化，等待來自控制器的請求數(shù)據(jù)信號，收到請求信號后將采集的數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過串口發(fā)送至控制器，然后開始等待下次采集。環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。3.2數(shù)據(jù)傳輸單片機(jī)通過UART串口向ESP8266模塊發(fā)送AT指令配置進(jìn)行通信，系統(tǒng)成功加入無線通信網(wǎng)絡(luò)后，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將傳感器采集信息，設(shè)備工作狀態(tài)信息經(jīng)過處理以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式傳送至云平臺，云平臺也可以反向發(fā)送指令數(shù)據(jù)給單片機(jī)執(zhí)行一些控制操作[10]。

3.3控制執(zhí)行

傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)處理與設(shè)置閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行機(jī)械動作，使溫室環(huán)境參數(shù)時刻保持在設(shè)定范圍內(nèi)。用戶也可根據(jù)監(jiān)控情況遠(yuǎn)程發(fā)送指令來控制繼電器，進(jìn)而控制現(xiàn)場設(shè)備。執(zhí)行設(shè)備的具體工作流程圖如圖5所示。

4云平臺的搭建

本農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)選用的終端應(yīng)用平臺是OneNET平臺。OneNET是中國移動為廣大開發(fā)者打造的免費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，能快速接入傳感器等設(shè)備和接收、儲存采集數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)管理工作人員可以隨時在移動終端查看作物相關(guān)數(shù)據(jù)信息。用戶按照系統(tǒng)提示進(jìn)行操作即可將終端設(shè)備接入OneNET云平臺。本系統(tǒng)添加產(chǎn)品時聯(lián)網(wǎng)方式選擇WiFi，設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇MQTT。OneNET平臺接入設(shè)備流程如圖6所示。

5結(jié)語

本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，較好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫室大棚調(diào)控不及時、監(jiān)測環(huán)境參數(shù)單一等缺點(diǎn)，系統(tǒng)利用硬件設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)時監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，可以對溫室大棚環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控；同時用戶能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對作物的生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精細(xì)化管理，降低種植成本，增加農(nóng)戶收益。該系統(tǒng)能有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多選擇，具有良好的應(yīng)用價值與發(fā)展前景。

作者:陳昊晟 單位:華北水利水電大學(xué)