基于物聯網的溫室環境監控系統

孫 康，王靜秋，冷 晟，葉文華

(南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

農業作為我國的第一產業，是支撐國民經濟建設與發展的基礎性產業。我國正處于由傳統農業向現代化農業轉變的過渡時期［1］。隨著物聯網技術的興起，智慧農業煥發出新的動力，“物聯網智慧農業”應運而生［2］。從農產品的種植到收獲，其生長的各階段均可使用物聯網技術以提高生產效率和精細管理［3］。近年來，我國的設施農業生產的物聯網化取得了快速發展［4］，作為設施農業重要形式的溫室大棚，其物聯網化發展趨勢也日益明顯。

目前我國已經成為全世界溫室大棚種植面積最大的國家。在溫室大棚的管理過程中，棚內環境對作物生長起著至關重要的作用，因此諸如空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤墑情等環境參數的采集、監測和分析就顯得極其重要［5］。溫室環境監控系統是提高溫室作物產量、減少勞動力成本的關鍵技術，代表了溫室生產的核心競爭力［6］。國外的溫室環境監控技術較為成熟，智能化和自動化水平高，但引入造價高且安裝維護復雜［7］。國內溫室大棚監測起步較晚。馬為紅［8］等人設計了基于ZigBee和GPRS無線傳輸的溫室環境智能監測和報警系統，但組網復雜且安裝成本高。秦琳琳［6］等人設計了基于CAN總線的數據采集和基于Ajax的數據交互系統，但系統基于計算機開發，設備體積大、硬件成本高。張新良［9］等人給出了基于RS485總線和WiFi網絡的監控方案，但局限于上位機操作。雖然近年來國內對物聯網溫室環境監控的研究有了諸多成果，但還存在設備體積大、功耗高、成本高等不足。

當前我國溫室大棚大多處在中、小規模，為適應國內溫室大棚特點，吸引中小型種植戶的資金投入，智能化監控系統的引入要考慮整個系統的造價［10］。圍繞現代設施農業溫室大棚的發展需求，以智慧農業“感知、傳輸、處理、應用”為主線，以中科芯32位單片機為控制核心，綜合應用各類傳感器技術，以可控的成本設計了溫室大棚綜合監測與管理系統，以實現溫室環境監測的微型化、智能化、自動化。

1 總體設計方案

所設計的溫室環境監控系統主要由智能感知器、功能執行器、人機交互界面及無線傳輸模塊4個部分組成，如圖1所示。各功能模塊協作完成對溫室大棚內影響農作物生長的各項參數的采集和調控。此外，系統可將采集的各項參數信息及執行器狀態信息發送到網頁及手機客戶端，便于用戶遠程監視。

圖1 系統總體設計

溫室環境監控系統的硬件組成包括電源及穩壓模塊、CS32F103控制器、按鍵輸入模塊、各路傳感器模塊、OLED顯示模塊、LED指示模塊、繼電器控制模塊及網絡傳輸模塊等，各部分連接情況如圖2所示。

圖2 系統硬件組成

1.1 溫室大棚智能感知器

智能感知器基于中科芯控制芯片，通過對溫室大棚環境的多點布局，實現對空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度的實時采集。

系統所用溫濕度傳感器DHT11使用單總線協議，方便應用于多點布局。溫室大棚監控系統在長時間工作后，主控板的溫度會逐漸升高，造成直接安放在主控板的溫度傳感器的采樣值偏大，這將使得后期的分析控制產生偏差。CS32F103芯片內設溫度傳感器，當內部芯片溫度過大時將對板載溫度傳感器進行溫度補償，以減弱主控板升溫帶來的影響。溫度補償公式為

式中，To為輸出溫度；Ti為傳感器采樣溫度；Tc為芯片溫度；Tt為溫度補償閾值；ρ為溫度補償系數。

系統使用的土壤濕度傳感器FC-28根據土壤的含水量與其導電性的正相關性原理進行土壤濕度的檢測。實際使用中發現濕度采樣值偶爾出現偏差較大的峰谷值。由于濕度的檢測具有一定的時滯性，選擇中位值平均濾波法，即連續采樣后去除最大最小值取平均的方法，以防止脈沖干擾。濾波公式為

式中，Mo為輸出土壤濕度；Mi為連續采樣濕度；n為采樣次數。

1.2 溫室大棚功能執行器

功能執行器基于中科芯控制芯片，通過4路LED指示燈顯示采集的各路傳感器信息是否超出設定的閾值，通過傳感器聯動及繼電器控制實現對排風機、水泵、警報蜂鳴器、補光燈等設備的執行控制。

1.3 人機交互界面

人機交互界面的顯示設備為I2C總線通信模式的OLED，輸入設備為五向開關按鍵，存儲設備為掉電不丟失的AT24C02芯片。用戶可結合按鍵和屏幕更改各組控制參數閾值并實時查看傳感器數據，調整后的閾值保存在AT24C02芯片中于系統重啟后生效。

1.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊使用器件為ESP8266 WiFi模塊，傳輸協議為HTTP協議，上傳的數據包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度及各路執行機構控制信息。用戶可通過網頁及客戶端查看各組數據，以了解溫室環境狀況。

2 系統的硬件設計

系統控制器選用的是中科芯CS32F103C8T6，芯片內核為 ARM 32位 Cortex-M3，工作頻率最高72 MHz，內置64 KB的閃存儲器，具有豐富的外設資源。光照強度采集芯片選用BH1750FVI芯片。該芯片具有高分辨率，支持較大范圍的光照強度變化等優點。土壤濕度采集基于LM393芯片設計，可將土壤濕度探測頭的阻值轉化為電壓值輸入，通過電位器調節比較電壓可輸出數字量。

系統在滿足使用要求的前提下選用了小體積、低功耗、低成本的芯片，以簡化系統設計，降低安裝、使用和維護成本。

3 系統的程序設計

溫室環境監控系統程序主要包括人機交互程序、物聯網數據傳輸程序、系統控制程序等部分。

3.1 人機交互程序設計

人機交互程序流程如圖3所示。人機交互按功能劃分為3個顯示界面：閾值選擇主界面、閾值設置二級界面、傳感器數據顯示界面。

圖3 人機交互程序設計流程圖

初始化完成后系統顯示閾值選擇主界面，主界面為空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強度4組閾值參數的設置入口。當功能按鍵按下后，系統將根據當前界面屬性處理按鍵消息并執行各項功能。主界面可切換至所選參數組的閾值設置二級界面和傳感器數據顯示界面。二級界面下，用戶可通過五向開關按鍵修改閾值參數并保存到AT24C02芯片中。數據顯示界面顯示上述4組傳感器數據，并可通過按鍵刷新信息。

3.2 物聯網數據傳輸程序設計

物聯網數據傳輸基于ESP8266與中移動OneNET物聯網平臺設計，其程序設計流程如圖4所示。

圖4 物聯網數據傳輸程序設計流程圖

首先，系統通過CS32F103C8芯片的USART模塊向ESP8266模塊發送AT指令以完成硬件初始化，并配置連接WiFi網絡。然后，基于中移動OneNET物聯網平臺，設計溫室環境監控系統的遠程界面，包括網頁端和手機客戶端，以方便用戶隨時隨地查看溫室當前的環境狀況。最后，物聯網數據傳輸系統將傳感器數據、執行設備的工作狀態等生成數據報文，基于HTTP網絡協議將數據報文上傳至物聯網平臺。

系統使用HTTP協議的POST方法向設備云上傳數據流，每條數據流由API秘鑰、設備ID及一個或多個數據點組成，每個數據點由標識符及對應傳感器采樣值組成。在物聯網平臺上針對該設備創建應用，將接收的各組數據點通過儀表盤、折線圖等方式進行可視化，完成系統互聯網界面的創建工作。

溫室環境監測對即時性要求不高，在調試階段將每輪數據傳輸定時為5 s可方便查看傳輸數據是否正常。后期應用可延長定時時間，以提高系統的快速響應性。

3.3 系統控制程序設計

監控系統初始化完成后采集傳感器數據，據此完成對執行機構的驅動控制，程序設計流程如圖5所示。

圖5 系統控制程序設計流程圖

采集的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等傳感器數據進行預處理后，與存儲在AT24C02芯片中的閾值相比較，根據比較結果控制繼電器工作狀態，進而控制風扇、水泵、補光燈等的執行動作。此外，通過4路LED指示溫室當前的環境狀態是否正常。

系統總體流程可總結為：按鍵掃描與消息處理、顯示界面刷新、數據采集與執行控制、數據定時傳輸。

4 系統的實驗結果

電路連接與程序編寫完成后，搭建溫室大棚簡易模型并將監控系統安裝到模型中，完成程序調試和功能復現等工作。

測試方式如下：通過人機界面查看實時采集的數據，并通過按鍵操縱更改閾值參數，斷電后重啟系統查看參數是否生效；通過環境干預和閾值更改的方法查看指示燈及控制設備運行是否正常；通過登錄網頁及手機客戶端操作平臺查看數據傳輸是否正常。

人機交互的測試過程如圖6所示。圖6(a)為閾值選擇主界面，圖6(b)為空氣濕度組閾值設置二級界面，圖6(c)為傳感器數據顯示界面。經測試，數據采集與屏幕顯示正常，閾值更改與存儲正常。根據傳感器數據手冊和實際測量，系統各項參數檢測精度如表1所示。其中土壤濕度檢測精度未知。

圖6 人機交互測試界面

表1 各項參數檢測精度

網絡傳輸的測試界面如圖7所示。界面左側記錄4組傳感器數據，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度；右側顯示4組控制設備開關標志，包括高溫警報、換氣風扇、水泵噴水、補光開關。經測試，控制設備運行正常，數據傳輸正常。

圖7 溫室環境監測網頁界面

5 結束語

所設計的基于物聯網的溫室環境監控系統可采集溫室大棚的環境參數，控制輔助植物生長的調節設備，并可通過網頁和手機客戶端對溫室大棚進行遠程監測。系統成本低廉，使用方便，具有良好的應用前景。系統后期可從多節點數據監測、遠程控制、神經網絡輔助決策等方面進行改進和擴展，為農業活動的智能化自動化控制提供更好的保障。