基于云平臺的智能大棚

黃宏 何紅兵 陳年欲 田鵬 董超

摘 要：本文主要討論了關于基于云平臺的智能大棚系統項目設計方案。本項目采用AT89S52單片機作為前端數據采集總控模塊，利用WIFI模塊進行信號傳輸，由PC機進行后端的數據存儲及分析。整個系統主要由基于實物大棚搭建的模型，基于多種傳感器的感知模塊，基于LCD顯示的實時可視化檢測，基于Wi-Fi模塊的數據傳輸模塊，基于SQL語言的后臺數據庫處理模塊，以及基于Web的可視化網頁控制端。以相對穩定的性能實現智能大棚的基本功能，為人們營造出一個更加方便智能的農業生產環境。

關鍵詞：物聯網；云平臺；智能大棚；Wi-Fi；數據庫

1概述

基于云平臺的智能大棚系統主要由由環境監測系統，環境信息實時顯示系統，無線傳輸系統，網絡數據庫系統，網頁操控系統等輔助系統構成。大棚內環境中的光照、溫度、濕度等物理量，通過相關的傳感器轉變為模擬信號，經Wi-Fi模塊傳輸，由PC端接收并轉換為數字信號存入數據庫中，然后通過網頁運程訪問我們的數據庫中的信息，還能通過網頁操控大棚內的一些硬件設施來改變大棚內的溫度、濕度、光照環境，使棚內農作物能夠更好生長。

現在的農業生產活動中，傳統人工大棚在市場上還是占據主體地位，另外一些只具有簡單智能功能的大棚也在開始普及，但此類大棚功能單一，管理麻煩，安全系數不高，人工管理成本無法降低，隨著物聯網時代的到來這些大棚的生產效益已經不再具有任何優勢。而基于云平臺的智能大棚系統能夠很好解決這些問題。

2系統總體設計方案

云平臺智能大棚系統是由環境監測系統，環境信息實時顯示系統，無線傳輸系統，數據庫系統，網頁遠程操控系統等輔助系統構成。大棚內環境中的光照、溫度、濕度等物理量，通過相關的傳感器轉變為模擬信號，經Wi-Fi模塊傳輸，由PC端接收并轉換為數字信號存入數據庫中，然后可以通過網頁訪問我們的數據庫中的信息和實時視頻監控，管理員還能通過網頁操控大棚內的遮陽簾、噴霧器、換氣扇等裝置來改變大棚內的溫度、濕度、光照、CO2濃度。對于農作物在其生長周期內的所有監測數據，系統能夠自動生成線性圖，與作物生長狀況進行對比，從而找到大棚內環境不適宜的某時段，對系統所設環境參量閾值進行調整，確保以后該作物生長環境最佳。

3系統詳細設計方案

3.1硬件設計

3.1.1主控結構設計

該結構以單片機主控板AT89S52為主控芯片，主要功能有I/O端口，邏輯處理判斷，外部電路驅動及A/D采樣，是前端采集應答智能化的集中體現。各路傳感器和電機繼電器都直接與單片機連接，且供電線都與單片機VCC和GND引腳相連以提供5V工作電壓，信號端與單片機的可編程輸入/輸出引腳相連接。除了實現對外部電路的控制和信息處理，還實現著控制Wi-Fi模塊的信息交互。

3.1.2環境監測與實時顯示結構設計

為了監測大棚內環境因素的變化，使用了光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、視頻傳感器。這些傳感器直接連接在單片機上，電源接在單片機VCC和GND引腳?？芍苯影褦祿鹘o主控芯片。然后通過連接在單片機上的LCD顯示屏，實時顯示各種傳感器上所返回的數據【1】。

3.1.3 Wi-Fi傳輸模塊設計

功能是將串口或TTL電平轉為符合Wi-Fi無線網絡通信標準【2】的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11b.g.n協議棧以及TCP/IP協議棧。此模塊置于窗體旁，實時將各模塊采集的數據經單片機通過Wi-Fi電磁波發送至信號覆蓋區域的服務器上。服務器返回指令通過Wi-Fi發送到單片機，單片機再向下一級傳遞指令。

3.1.4環境調節結構設計

1）噴霧加濕裝置：由繼電器控制霧化器抽水泵工作。當環境濕度低于設定值時，電源接通，水泵開始工作，抽取外部蓄水池的水進入霧化噴頭，在棚內進行噴霧作業，達到降溫加濕的目的。

2）風扇通風裝置：同樣由繼電器控制風扇電機工作。當環境溫度CO2濃度超出規定閾值時【3】，電源接通，風扇工作，更換棚內氣體，達到降溫控制CO2濃度的目的。

3）遮陽簾裝置：由減速電機作為傳動裝置。當檢測到棚內光照強度過高時，電源接通，電機轉動帶動遮陽簾的運動，通過改變受光面積來改變光照強度。

這三種裝置的控制既能由環境的變化而自動調節，還能由管理員在網頁進行人為操作來進行啟動，這樣做更加人性化。

3.2軟件設計

將服務器連到Wi-Fi網絡，打開配置軟件，隨后軟件自動監聽并轉Wi-Fi的IP地址和端口。此時有節點網絡之后，在軟件的配置界面里面出現未配置的節點，我們點擊配置，設置參數、修改名稱之后，在界面上就會顯示這個已經配置好的節點。然后利用個人PC機作為網絡服務器使用，存儲所用的數據庫使用SQL Server【4】 ，當返回數據時，設定時間間隔，如每隔五分鐘將一個數據存入建好數據庫的表中。不同傳感器所采集的數據放入不同的表中存儲。

利用HTML語言進行網站開發，由登陸界面和功能界面組成，普通用戶登錄后，只能查看大棚內農作物的基本信息和生長狀態。管理員登錄后，可以查看數據庫中所有信息，并通過操作界面直接控制遮陽簾、霧化器、換氣扇的開關，以便及時調節室內環境。

4系統整體測試

為了檢測各種傳感器在實際應用中性能要求是否達標，我們在整套系統運行的同時，還在棚內放置傳統的溫濕度計，光強計進行對照測試，測試誤差小于1%，能夠用于高精度的環境監測。對于網絡遠程操作的可行性，我們進行了測試，用戶模式下，能夠對大棚內的各項環境參數進行實時反饋。在管理員模式下，能夠遠程操控大棚內裝置時延遲在可控范圍內。對于大棚管理者，當我們做了為期兩個月的性能測試后，能夠查看各個時期的環境參數，以統計圖方式呈現，與種植物最佳生長環境比對后，能得到管理者應該改進環境參量的反饋。

5 結論

我們所完成的基于云平臺的智能大棚功能多樣，操作便捷，智能化程度高，能夠大量降低人工成本，且能夠提高農產品質量?？梢酝耆娲壳爸髁髦悄艽笈锂a品。云平臺的管理模式不僅能讓管理者更加輕松，同時在客戶的監督下生長的農作物，也讓他們更放心，這種生產消費模式更能在物聯網時代所接納。同時經過測試，系統中仍然有不足需要改進，在實際應用中，Wi-Fi的使用減少了布線的錯綜復雜，但Wi-Fi信號卻有很大的局限性，比如傳輸距離與空間阻隔，這將會系統整體的正常運作造成很大的影響。

總的來說，我們相對圓滿地完成了項目最初確立的目標功能，物聯網時代的來臨將對傳統產業帶來很大的沖擊，農業大棚的智能化云端管理將更能適應當今時代，物聯網技術所推動的變革浪潮將使人們的生活更便捷。

參考文獻：

[1] 程杰， 黃鴻.傳感器與檢測技術[M].高等教育出版社，2001.

[2]孫潤. 基于Wi-Fi智能家居的網關設計[D].西安工業大學，2015.

[3]沈允鋼. 綠色植物產業是二氧化碳最大規模的資源化利用途徑[A]. 中華環保聯合會能源環境專業委員會.二氧化碳減排控制技術與資源化利用研討會論文集[C].中華環保聯合會能源環境專業委員會，2009：3.

[4]王爽.基于SQL數據庫的性能優化探究[J].計算機光盤軟件與應用，2013，16（13）：294-295.

基金項目：西北民族大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號：201710742065）