基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)

馬鑫 衛(wèi)雅娜

摘 要：根據(jù)目前溫室監(jiān)測與管理的需求，針對控制因子多、溫室環(huán)境測控和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行等特點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架，分為溫度系統(tǒng)、光照感知系統(tǒng)、顯示及控制系統(tǒng)，這四個(gè)部分相互依賴，共同完成智能監(jiān)控功能，采用環(huán)境傳感器獲得溫室內(nèi)部環(huán)境信息。試驗(yàn)表明該溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、監(jiān)測可靠的特性，可滿足現(xiàn)代溫室智能監(jiān)控的需要。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能監(jiān)控；傳感器；數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）08-0-03

0 引 言

21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開現(xiàn)代智慧物聯(lián)網(wǎng)，隨著國民人均收入的飛速增長，農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)的相關(guān)研究受到極大的重視，尤其是溫室智慧大棚等智能產(chǎn)業(yè)，已成為高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的一環(huán)即對農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地監(jiān)測和控制，如：大棚內(nèi)空氣溫度、光照強(qiáng)度、CO2含量、土壤含水量等。在農(nóng)作物培育過程中，大棚內(nèi)環(huán)境與農(nóng)作物的生長、發(fā)育、能量物質(zhì)交換等息息相關(guān)，棚內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理智能化、科學(xué)化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)合農(nóng)作物的生長發(fā)育規(guī)律，控制其生長環(huán)境，使農(nóng)作物達(dá)到高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的種植目的[1]。以智能溫室大棚為代表的智慧產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用。通過監(jiān)測控制溫室大棚內(nèi)的溫濕度、CO2含量及光照強(qiáng)度等參數(shù)，直接關(guān)系到農(nóng)作物的生長品質(zhì)。

目前國外的溫室大棚技術(shù)已相對成熟，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但其價(jià)格極其昂貴，并缺少同我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的監(jiān)控軟件，尚不適于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展。而我國現(xiàn)今多數(shù)大棚中溫濕度、CO2含量、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測與控制都采用人工管理的方式，此種方式監(jiān)測精度低、實(shí)時(shí)性低、人力勞動(dòng)強(qiáng)度大且存在監(jiān)測不及時(shí)或不頻繁等弊端，極難達(dá)到棚內(nèi)作物生長所需要的的最適環(huán)境，不僅增加了成本，還浪費(fèi)了人力資源，且不易達(dá)到實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)能最大化的經(jīng)濟(jì)目的[2]。因此，為了實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化、科學(xué)化并提高對農(nóng)作物研究的精準(zhǔn)性，推動(dòng)我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與其相應(yīng)的農(nóng)業(yè)科技工程，進(jìn)行科學(xué)合理地調(diào)控大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度以及CO2含量，使溫室大棚內(nèi)形成有利于農(nóng)作物生長所需的最適環(huán)境，是農(nóng)作物縮短生長期，產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效益的重要環(huán)節(jié)之一。

目前，隨著國內(nèi)溫室大棚的迅速增多，人們對大棚性能的要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的智能化程度要求也逐漸提升。同時(shí)由于單片機(jī)及各種電子元件性價(jià)比的飛速提高，使得人們對這種要求變得逐漸可行。當(dāng)前我國溫室大棚大多處在中、小規(guī)模，要在大棚中引入智能化監(jiān)控系統(tǒng)，改變?nèi)斯す芾頌橹悄芑芾淼姆绞剑瑒t要考慮整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)。本文介紹了智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)以單片機(jī)為主要控制器，以溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫濕度的采集，能夠?qū)崟r(shí)顯示大棚內(nèi)溫度，通過繼電器控制電風(fēng)扇對流通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)降溫。本智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)采用了直觀的數(shù)字顯示，可在LED屏上同時(shí)顯示實(shí)時(shí)的溫度和光照強(qiáng)度數(shù)值，根據(jù)大棚內(nèi)所種植農(nóng)作物的最適環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)判斷，為該作物進(jìn)行光源補(bǔ)償或降溫等操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。該智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)具有操作簡潔、讀取數(shù)據(jù)方便、顯示直觀、功能多樣、電路設(shè)計(jì)簡潔、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，擁有非常廣闊的市場前景。

圖1 溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1 溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)前國內(nèi)常見的溫室大棚都是在一個(gè)較封閉的環(huán)境中，只有處于合適的生長條件才能讓農(nóng)作物達(dá)到最佳狀態(tài)。農(nóng)作物生長所需要的條件包括：光照，O2，CO2，濕度等，通常這些條件在人為的操作下無法較好把控，才使得作物達(dá)不到產(chǎn)量最佳[3]。對作物的智能監(jiān)控功能，是通過合理地使用現(xiàn)有資源，來創(chuàng)造和滿足作物生長所需要的最佳生長環(huán)境條件，監(jiān)控功能如圖2所示。

圖2 智能監(jiān)控功能

整個(gè)系統(tǒng)分為溫濕度系統(tǒng)、光照感知系統(tǒng)、顯示屏及控制系統(tǒng)。這四個(gè)部分相互依賴，共同完成智能監(jiān)控功能，人們可通過控制系統(tǒng)來設(shè)定作物所需的光照值與溫度值。設(shè)計(jì)一個(gè)溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)，首先要了解作物所需的生長條件及環(huán)境參數(shù)，之后根據(jù)環(huán)境參數(shù)來制定適宜的生存環(huán)境。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）作為物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一，其應(yīng)用有助于全面理解物聯(lián)網(wǎng)世界的本質(zhì)。嵌入式系統(tǒng)是將日益流行的操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使其便于適應(yīng)特定應(yīng)用的一種低功耗、小尺寸、低成本的特殊系統(tǒng)。按照美國電氣和電子工程師協(xié)會對嵌入式（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的說明：Devices used to control，monitor or assist the operation of equipment，machinery or plants。翻譯成中文為用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置。當(dāng)前常用的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)是具有集成存儲器或外設(shè)接口的處理器，用于特定的應(yīng)用而定制的類型。嵌入式系統(tǒng)用于特定的任務(wù)，設(shè)計(jì)者可對其優(yōu)化裁剪，以減少產(chǎn)品的尺寸和成本，并提高可靠性和性能[4]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使其作為完整設(shè)備的一部分被嵌入，通過其對傳感器的連接、通信以及其自身擁有智能化處理能力，能夠達(dá)到對特定目標(biāo)進(jìn)行智能化控制的目的，這一主要功能是人們開發(fā)嵌入式系統(tǒng)所期望并逐漸實(shí)現(xiàn)的首要任務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)接駁器

數(shù)據(jù)接駁器基本實(shí)現(xiàn)了所有工業(yè)傳感器的數(shù)據(jù)接入功能，其內(nèi)置低功耗高速處理核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的數(shù)據(jù)采集，通道校準(zhǔn)、存儲，設(shè)備診斷，設(shè)備休眠等諸多功能，任何傳感器輸出的信號均可通過數(shù)據(jù)接駁器轉(zhuǎn)換成特定系統(tǒng)所需要的標(biāo)準(zhǔn)輸出格式，并可簡化用戶后端系統(tǒng)接入操作[5]。

2.3 智能數(shù)字傳感器

智能數(shù)字傳感器是物聯(lián)網(wǎng)前端感知設(shè)備，針對不同協(xié)議傳感設(shè)備的適配駁接器，由數(shù)據(jù)接駁器連接傳感器后形成。通過對傳感器的數(shù)字協(xié)議變送技術(shù)的突破，解決了前端檢測設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、微信號放大等棘手問題，行業(yè)應(yīng)用核心難點(diǎn)，擁有體積小、低電壓、低功耗、數(shù)字信號統(tǒng)一輸出等特點(diǎn)；首次將智能化總線技術(shù)引入物聯(lián)網(wǎng)前端檢測技術(shù)中，采用“硬件設(shè)計(jì)不變，軟件可動(dòng)態(tài)調(diào)整”的方式來兼容各式各樣的傳統(tǒng)傳感器，使傳統(tǒng)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相結(jié)合，從而達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速應(yīng)用。

2.3.1 溫度傳感器

本產(chǎn)品采用溫度傳感器來收集溫度的變化，并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和更新。在自動(dòng)模式時(shí)，若超出預(yù)先設(shè)置的溫度值時(shí)，則會自行發(fā)送命令開啟風(fēng)扇，進(jìn)行降溫，直到恢復(fù)到預(yù)定溫度范圍，風(fēng)扇停止運(yùn)行。

2.3.2 光照傳感器

光照強(qiáng)度決定著農(nóng)作物生長的優(yōu)劣。在本產(chǎn)品中，光照傳感器和一排LED補(bǔ)光燈“相輔相成”。自動(dòng)模式開啟后，當(dāng)光照不足時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)發(fā)送命令開啟LED燈，進(jìn)行補(bǔ)光。

3 感知層設(shè)計(jì)

STM32處理器與傳感器和執(zhí)行器的I/O進(jìn)行通信，同時(shí)通過不斷地掃描確定傳感器工作狀態(tài)并通過使用串口網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)如下動(dòng)作：處理器與執(zhí)行器、傳感器之間的通信，傳感器和上位機(jī)的通信。執(zhí)行器首先通過應(yīng)用層調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，再繪網(wǎng)絡(luò)層串口驅(qū)動(dòng)。傳感器可通過串口網(wǎng)絡(luò)接收來自“蜂鳥”（Hummingbird）的命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。

4 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

由于本溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)使用了兩部分硬件設(shè)備，以Cortex-A8為核心的處理器和STM32系列處理器，因此應(yīng)用層需要兩套程序來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，一個(gè)是以Android客戶端應(yīng)用程序作為上位機(jī)，另一個(gè)是STM32固件，用來做核心動(dòng)作控制。

5 Android系統(tǒng)軟件

對于Android客戶端程序的界面設(shè)計(jì)，溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)在Android客戶端上主要由兩大部分構(gòu)成，信息數(shù)據(jù)檢測界面和環(huán)境參數(shù)調(diào)整界面。信息數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，能夠?qū)崟r(shí)地反饋大棚內(nèi)傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)；環(huán)境參數(shù)調(diào)整界面，主要讓用戶輸入植物生長所需最適環(huán)境的相關(guān)參數(shù)（目前暫時(shí)未完成對所種植的作物品種的自動(dòng)識別，需要根據(jù)農(nóng)作物的特性來人工設(shè)置環(huán)境參數(shù)）[6]。其次為執(zhí)行器軟件驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，一般市場上常見的傳感器的驅(qū)動(dòng)程序都會提供其相應(yīng)的開源代碼，可直接使用，但由于使用C語言編寫驅(qū)動(dòng)程序，用Java語言開發(fā)Android應(yīng)用程序，因此需要通過修改硬件抽象層以重新定制調(diào)用接口的標(biāo)準(zhǔn)和更改NDK實(shí)現(xiàn)層的相關(guān)代碼的方式方便上層Java程序協(xié)助S5PV210控制處理器，這樣才可有效地對硬件設(shè)備地智能控制。

6 STM32固件

STM32固件主要負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如：溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等，同時(shí)處理由經(jīng)過串口發(fā)送的控制命令并返回響應(yīng)動(dòng)作。綜上，軟件系統(tǒng)的三層協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖3所示[7]。

圖3 軟件系統(tǒng)協(xié)議層圖示

7 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)信息采集是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成部分之一，各種傳感器所檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為電信號，再通過接口轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的信號后，系統(tǒng)才可對其進(jìn)行下一步智能化處理和精確有效地管理、調(diào)控等。本溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)主要采用了溫濕度傳感器和光照傳感器，且均是電阻式傳感器，靈敏度較高且價(jià)格低廉[8]。

本系統(tǒng)的溫度傳感器利用半導(dǎo)體元件制成，其具有靈敏度高、電阻溫度系數(shù)大、反應(yīng)速度快、熱慣性小、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、壽命長、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)選擇該傳感器測量大棚內(nèi)的溫度，此半導(dǎo)體元件為正溫度系數(shù)類型，電阻值會隨著溫度升高而增大，再根據(jù)電阻阻值變化的情況進(jìn)行計(jì)算，最終將數(shù)據(jù)上傳，并提供給用戶。

本系統(tǒng)的濕度傳感器利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的介電常數(shù)這一特性工作。該傳感器通過介電常數(shù)的變化進(jìn)行計(jì)算從而得出土壤中水分的含量，該傳感器具有簡便安全、靈敏度高、檢測速度快、壽命長、可進(jìn)行單個(gè)替換和集中控制等優(yōu)點(diǎn)，因此本次實(shí)驗(yàn)選擇它來測量濕度，得到準(zhǔn)確數(shù)值[9]。

本系統(tǒng)的光照傳感器采用光敏式傳感器。利用光電效應(yīng)的光電敏感元件，通過感應(yīng)光線的明暗變化從而使其阻值發(fā)生變化，微弱的電信號經(jīng)過放大處理將數(shù)據(jù)傳送給處理器，但通常情況下都是成相反關(guān)系即隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)使其光敏半導(dǎo)體的電阻值變小[10]。根據(jù)這一基本原理完成了光照傳感器與控制器的通信，從而直觀地將數(shù)據(jù)顯示給用戶。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制提供媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)?？紤]到本系統(tǒng)所使用溫室的面積以及部署所需要的成本，只需一臺服務(wù)器就可滿足用戶的需求。因此只需將媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)庫服務(wù)安裝到溫室監(jiān)控設(shè)備上即可，其所需的硬件配置見表1所列。

8 測試與總結(jié)

在試驗(yàn)大棚中搭建好智能控制系統(tǒng)，通過在溫室大棚的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試與功能測試。溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)可在大棚中正常運(yùn)行，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

現(xiàn)場測試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)見表2所列，測試時(shí)間為6∶00—

18∶00，在系統(tǒng)中將最佳空氣溫度設(shè)置為23℃，濕度設(shè)定為66%RH。每小時(shí)記錄一次。由表2生成的溫濕度折線圖如圖4

和圖5所示。

從圖4和圖5中可以明顯地看出智能溫室大棚中氣溫與濕度的變化狀態(tài)，溫度與濕度能夠穩(wěn)定保持在作物最佳生長范圍之內(nèi)。因此，溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

9 結(jié) 語

農(nóng)作物監(jiān)測方面，人們的了解并不是很深刻，市場上出現(xiàn)的各種監(jiān)測和檢測設(shè)備只能實(shí)時(shí)反饋，單一地為用戶顯示自己的產(chǎn)品生長周期，無法做到數(shù)據(jù)備份和對作物生長規(guī)律的掌握。通過對市場調(diào)研的發(fā)現(xiàn)，人們對食品安全愈發(fā)重視，對作物出產(chǎn)地及生長狀況也越來越重視。而這款溫控系統(tǒng)恰能提供給人們綠色安全的使用條件，具有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿?，能夠?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)作出貢獻(xiàn)。

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