基于物聯網的大棚環境監控系統設計研究

李寶生 康健麗 肖鎮中 禹化有

摘? 要：本文設計了一種基于物聯網的大棚環境監控系統。傳感器采集大棚內的實時溫度、濕度和二氧化碳濃度，經過微控制器計算處理后通過ZigBee無線傳輸技術送至AT89S51主控制器和云平臺;主控制器根據設定規律控制電動卷簾機、風機、二氧化碳發生器運行狀態，實現對大棚環境的智能控制;通過遠程PC、手機等移動設備實現對大棚環境的實時監測。該系統操作簡單，工作穩定，效率高、誤差小，能夠有效地提高大棚種植的經濟效益。

關鍵詞：物聯網? 大棚? 智能監控? 系統

中圖分類號：S625;TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0129-03

Abstract： This paper designs an environment monitoring system for greenhouse based on internet of things. The sensor collects the real-time temperature， humidity and CO2 concentration in the greenhouse， and sends it to the main controller of AT89S51 and the cloud platform through ZigBee technique after computing and processing by the microcontroller. The main controller controls the running state of electric roller shutter， fan and CO2 generator according to the set rule， and realizes the intelligent control of greenhouse environment. Through remote PC， mobile phone it can achieve real-time monitoring of the greenhouse environment. The system is simple to operate， stable to work， high efficiency， small error， and can effectively improve the economic benefits of greenhouse planting.

Key Words： Internet of things; Greenhouse; Intelligent control; System

社會城市化加速發展，大量的農村勞動力流動到城市務工，導致農村耕地種植方式由個體小規模種植向集體大規模化發展[1-3]。由于能夠帶來較高的經濟效益，大棚種植方式成為了現代農業發展的重要載體，但由于大棚中多種植精品作物或反季作物，對大棚中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等要求更高[4]-[5]。傳統大棚靠人工根據經驗收放保溫卷簾、開關通風口來調節溫、濕度等，在大規模的大棚種植模式下需要大量的人工，這就帶來了費人、費力、費錢的問題，制約了大棚種植模式的發展[6]。隨著近些年設施農業的飛速發展，和大棚相關的裝備設施逐步走向機械化、智能化，應用到大棚環境智能控制的監控系統也越來越多[7-8]，本文設計了一種基于物聯網的大棚環境監控系統，預先在系統中輸入根據經驗和研究得出的不同時間有助于作物生長的溫度、濕度和二氧化碳濃度范圍值，通過傳感器采集大棚內的實時溫度、濕度和二氧化碳濃度并傳輸給主控制器和給定范圍作對比，判斷執行相關自動裝置，同時將數據傳送給云平臺，實現通過遠程PC、手機等移動設備對大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度的遠程實時監測。該系統控制大棚環境的效率高、誤差小，可以大量節省人力、物力，為作物提供最適宜的生長環境，對推動大棚生產智能化有重要的意義。

1? 系統硬件設計

1.1 系統整體設計

基于物聯網的大棚環境監控系統，由傳感器部分、無線通信部分、主控制器和遠程監測部分組成，如圖1所示。

傳感器部分主要是通過不同種類的傳感器來獲取大棚內的溫度、濕度和二氧化碳實時數據。無線通信部分是負責將傳感器采集的數據經過微控制器處理后通過ZigBee無線傳輸技術傳送至主控制器和云平臺。

主控制器負責獲取大棚內的數據，并按照規則向電動卷簾機、風機、二氧化碳發生器下發控制命令。云平臺主要實現遠程PC、手機等移動設備對大棚環境的實時監測。

1.2 傳感器位置分布

由于大棚占地面積大，各個位置的環境差別較大，需要對采集大棚的傳感器進行合理的布置，通過獲取大棚不同部位的環境數據進行融合來確定當前大棚內環境的實際參數。

若將每個傳感器作為一個檢測節點，1號節點在入門位置，3～6號節點在大棚的四個角落，7、8號節點在大棚中間兩側的位置。通過不同節點獲取大棚內部7個不同位置的溫度、濕度、二氧化碳濃度數據再計算平均值，得出大棚內的誤差較小的環境參數。

1.3 主控制器

設計的系統的核心主控制器是AT89S51單片機，該8位單片機由美國ATMEL公司生產，采用高密度、非易失性存儲技術制造，性能高、功耗低，能夠很好地兼容標準的MCS-51指令系統，單片機在內部集成著：引腳40個、4kBytesFlash片內程序存儲器、28bytes隨機存取數據存儲器（RAM）、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口、5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷、2個16位可編程定時計數器、2個全雙工串行通信口、看門狗（WDT）電路、片內時鐘振蕩器，同時能夠以PDIP、TQFP和PLCC三種形式進行封裝，更便捷地作為控制應用系統主控制器。

1.4 溫度傳感器及溫度調控

系統選取的是熱電阻式的Pt100溫濕度傳感器，該傳感器的溫度采集范圍為：-200℃～+850℃，工作原理是利用熱電阻的溫度與阻值變化之間的關系：R=Ro（1+αT）。（α=0.00392，為鉑電阻溫度系數;Ro是鉑電阻0℃的電阻值;T是攝氏溫度）。

種植在大棚內的農作物在適宜的溫度下，更有利于進行光合作用，大棚內的溫度過高或過低都不利于農作物生長。本系統對大棚內溫度的調控主要是：（1）當傳感器監測到的實時溫度傳輸到主控制器進行對比后高于作物最適宜生長溫度值時，主控制器發出指令，電動卷簾機動作打開卷簾;（2）當傳感器監測到的實時溫度傳輸到主控制器進行對比后低于作物最適宜生長溫度值時或在作物最適宜生長溫度值范圍內時，主控制器發出指令，電動卷簾機動作放下卷簾。

1.5 濕度傳感器及濕度調控

系統選用的是YL69濕度傳感器，該傳感器測量精度高且硬件電路簡單，可以能夠適應測試不同土質土壤的濕度。

空氣濕度過大會導致作物葉面沾濕，是大棚作物病害多發的最主要因素之一，因此嚴格控制大棚環境濕度，是大棚作物健康生長的重要手段。本系統對大棚內濕度的調控主要是：（1）當傳感器將監測到的實時大棚濕度值傳輸到主控制器進行對比后大于作物最適宜生長濕度值時，主控制器發出指令，大棚內的風機工作，降低大棚環境濕度。（2）當傳感器將監測到的實時濕度值傳輸到主控制器進行對比后小于作物最適宜生長濕度值或在作物最適宜生長濕度值范圍內時，主控制器發出指令，風機停止工作。

1.6 二氧化碳傳感器及二氧化碳值調控

系統選用的是MH-Z14A二氧化碳傳感器，該傳感器為通用、智能、小型傳感器，工作原理是利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的二氧化碳進行探測，具有可靠性高、使用方便的特點。

二氧化碳是植物進行光合作用的重要因素，合理控制大棚內的二氧化碳濃度，有利于作物健康生長。本系統對大棚內二氧化碳濃度的調控主要是：（1）當傳感器將監測到的實時大棚二氧化碳濃度值傳輸到主控制器進行對比后小于作物最適宜生長的二氧化碳濃度時，主控制器發出指令，二氧化碳發生器開始工作，制造二氧化碳氣體。（2）當傳感器將監測到的實時大棚二氧化碳濃度值傳輸到主控制器進行對比后大于作物最適宜生長的二氧化碳濃度或在作物最適宜生長的二氧化碳濃度值范圍內時，主控制器發出指令，二氧化碳發生器停止工作。

1.7 無線通信模塊

無線通信模塊采用的是核心芯片為CC5230的ZigBee無線收發模塊，每個節點的傳感器值經過微控制器處理后再經無線傳輸至主控制器和云平臺，實現對大棚環境的監控。

2? 系統軟件設計

由于大棚內環境每時每刻都在變化，因此各傳感器需要不斷采集數據傳輸至主控制器進行對比，規定系統啟動后為自動模式，主控制器獲取各傳感器取平均值后的數據和給定范圍值進行對比，得出對比結果后實現對大棚環境的調控。系統軟件流程圖如圖2所示。

3? 結語

本文設計的基于物聯網的大棚環境監控系統，能夠實時獲得大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度數值，并通過與設定值對比后自動做出動作，實現對大棚環境的自動調節，并能夠實現對大棚環境的遠程監控，該系統操作簡單，可靠性高，能夠大大降低人工成本，實現對大棚環境的自動化智能監控。

參考文獻

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