基于單片機的農業大棚智能監控網絡系統設計

王浩臣 秦國慶 呂植越 朱世杰 蔡宇陽

摘? ?要：近年來，溫室大棚技術展現出巨大經濟潛力，自動化的大棚監控系統也顯得尤為重要，然而目前市場上所售的農業大棚監控系統存在兩點不足：設備自動化程度較低、造價高昂。文章針對上述情況，設計了一種新型的農業大棚監控系統，采用集散控制系統，下位機多點分布采集和控制，上位機集中處理數據產生決策控制信息，主從機之間采用無線網絡通信，實現環境集中控制、數據實時上傳網絡、用戶在線查看等功能。

關鍵詞：農業大棚;智能網絡監控系統;“互聯網+”

近年來隨著農業生產技術水平的不斷提高，大棚技術得到了極為廣泛的推廣和應用[1]，然而傳統的人工控制方式很難滿足科學種植的要求，農業大棚監控系統的出現有效彌補了人工技術方面的不足，使農業大棚種植真正實現了數據化管理[2-3]。但市場上已有的農業大棚監控系統普遍存自動化程度較低且造價昂貴的問題[4-5]。本文提出一種新型農業大棚智能監控系統的設計方案，以較低的成本實現監控系統的自動化控制。系統以STC15單片機為核心進行設計，將多種環境檢測單元集成為獨立的環境檢測點，對多種基礎的環境數據進行檢測，使用無線通信技術將多個環境監測點的數據匯總處理，并通過WiFi協議連接至互聯網平臺[6-7]，實現實時環境的反饋控制、數據上傳網絡云服務平臺、用戶在線查看控制等功能。以較低的價格滿足現代農業自動化生產的必要需求。

1? ? 系統整體設計

大棚智能監控網絡系統整體設計框架如圖1所示，系統由一臺主機、8臺數據采集從機、兩臺反饋從機和云服務平臺組成（數據采集從機和反饋從機僅各列舉一臺）。主機定時向8臺數據采集從機依次發送數據采集指令，數據采集從機接收到指令后讀取當前某定點環境數據，對數據預處理[8]并編碼發送給主機，主機根據環境數據給出控制決策使從機產生相應動作，同時將環境數據上傳至網絡云平臺，實現數據可視化、圖表化，為用戶提供便利的監控平臺。

2? ? 系統硬件設計

2.1? 從機硬件設計

從機硬件可分為電源、控制電路和功能電路。從機電源電路設計為通過太陽能電池供電增強靈活性。為了防止太陽能板使用過程中出現過壓和浪涌沖擊控制電路，可以在電源電路中添加3.7 V的鋰電池收集光照強烈時多余的電能，同時使用LM7805芯片構成穩壓限流電路，維持從機電路電壓和電流的穩定性。反饋從機安裝于水泵電機或散熱扇電機附近，通過繼電器對電機控制，因此可將反饋從機電源電路接入220 V交流電網，通過降壓、穩壓、限流電路將交流電轉換為5 V直流，對控制電路和無線通信模塊進行供電。兩種從機控制電路都采用STC15F2K60S2單片機作為中心控制單元，該芯片內部集成高精度R/C時鐘，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路，并具有兩組超高速異步串行通信端口和8路高速10位A/D轉換端口。從機按照所執行功能的不同分為數據采集從機和反饋從機。數據采集從機通過使用DHT11溫濕度采集模塊、YL-69土壤濕度傳感器、BH1750光照度模塊對基礎環境信息進行采集，同時將STC15F2K60S2剩余的A/D轉換端口引出，支持用戶后期根據需求添加傳感器模塊。反饋從機的功能電路通過光耦合繼電器的組合，控制220 V異步交流電機對環境參數進行調節。

2.2? 主機硬件設計

主機硬件結構較為簡單，主要為電源和控制電路。主機使用外置充電器充電，并配合內置的5 V可充電鋰電池為主機電路進行供電。電路板內置3.3 V降壓限流電路，降壓電路選用AMS1117-3.3芯片配合外部電路進行設計，具有限流和過熱切斷的功能，可在供電單元發生過壓和浪涌時有效維持主機電路內部電壓電流穩定。由于連接互聯網所使用的ESP-01S模塊額定電壓為3.3 V，所以選用3.3 V供電的STC15L2K60S2作為主機主控芯片，該芯片的功能與從機使用的STC15F2K60S2完全相同。數據處理電路配備有EEPROM存儲單元，將主機采集到的數據定時進行存儲，防止數據掉電丟失，保證采集到環境數據的連續穩定性。

2.3? 無線傳輸設備

無線傳輸設備分為兩種：一是組建本地局域網;二是連接互聯網。農業生產需要大面積耕地，普通的無線通信模塊通信距離有限，難以將整個大棚都覆蓋在無線通信范圍內，因此構建本地局域網時選用HC-12無線通信模塊，該模塊通信方式靈活度高，可實現一對一或多對多無線通信，全功率運行透傳距離可達200 m，無障礙通信距離達800 m，適用于構建中小型無線透傳網絡。WiFi模塊用于主機與互聯網云平臺進行通信，將物聯網連接至互聯網，實現環境數據的云存儲和在線監控。選用ESP-01S模塊，采用ESP8266芯片作為MCU，是一款專職于WiFi聯網的互聯網模塊，可快速地與指定網頁進行穩定連接，實現數據的實時上傳和下載。

3? ? 系統軟件設計

3.1? 從機程序設計

從機在硬件上分兩種，但在程序設計上兩種從機程序類似，僅功能性指令不同（數據監測從機為數據采集，反饋從機為執行相應操作指令）。數據檢測從機程序流程如圖2所示，從機通電后等待主機發送連接標志，接收到正確的標志時，點亮連接標志指示燈，返回從機編號并進入待機狀態，等待無線通信模塊接收到功能指令后執行相應指令。

3.2? 主機主程序設計

系統主機主控單片機主要負責處理兩個無線模塊之間數據的接收、運算和傳遞的工作，如圖3所示。聯網功能完全移動至ESP8266芯片實現，對ESP8266單片機進行SDK編程，實現數據聯網上傳下載的自動化，主控單片機只需將需上傳的數據進行特定格式的編碼、通過串口送往WiFi模塊即可將數據上傳，同理，下載的網絡報文只需提取用戶數據區的信息送往主控單片機即可，減輕主控MCU的工作負擔，提升系統的穩定性。

4? ? 實驗測試

主機通過USB轉TTL（芯片為CH340）連接到PC，進行數據采集和處理穩定性測試。在PC上通過串口助手模擬主機WiFi模塊，接收檢測完畢的大棚環境數據。模擬發送WiFi模塊聯網準備完成標識“GH0ESP”后正常接收到返回標志語“GH0STC”，主機正常啟動開始自動組網收集大棚環境數據，并將數據匯總處理后編碼送往WiFi模塊。主機每20 s發起一輪環境數據檢測，收集在線從機當前檢測到的環境數據。經檢測環境數據正常，無線連接穩定，檢測從機無限透傳20 m范圍內未出現數據處理紊亂和亂碼錯誤。

5? ? 結語

本智能監控系統，采用無線通信方式實現系統各組件之間的通信，使數據檢測從機具備極高的安裝和操控靈活性。同時通過對云服務器的使用實現了數據的備份和遠程實時監控，經長時間測試，運行效果良好，數據采集和上傳更新穩定，可以滿足農業大棚所需的基礎智能監控功能。

[參考文獻]

[1]楊衛社，孫啟昌.基于ARM與Android農業大棚監控系統的設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2017（6）：141-143.

[2]張輝，李建軍，王佳熙，等.電機設備運行參數遠程監控系統設計[J].計算機測量與控制，2015（10）：3395-3397.

[3]黃穎，張偉.基于物聯網的智慧農業監控系統[J].物聯網技術，2017（4）：33-34.

[4]鄒帥，莫奇.基于嵌入式的設施農業智能監控助手的設計與應用[J].數學技術與應用，2014（2）：3-5.

[5]李燕飛，張文志，王洪娟，等.基于PLC的智能溫室控制系統[J].機械工程與自動化，2016（4）：172-173.

[6]王君君，董靜，伊銅川，等.移動終端的設施農業物聯網環境監控系統設計[J].傳感器與微統，2016（8）：87-89.

[7]江瑩旭，華芳芳，鄭梁梁，等.農藝與物聯網下的智慧農業[J].農業工程，2014（4）：38-40.

[8]劉偉，馮向軍.關于多變量PID自適應解耦控制器的設計[J].微計算機信息，2004（4）：22-24.

Framework design of intelligent monitoring network system for

agricultural greenhouse based on single chip microcomputer

Wang Haochen， Qin Guoqing*， Lyu Zhiyue， Zhu Shijie， Cai Yuyang

（Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， China）

Abstract：In recentyears， greenhouse technology shows great economic potential， and the automatic greenhouse monitoring system is particularly important. However， the agricultural greenhouse monitoring system sold in the market has two shortcomings： low automation level and high cost. In view of the above situation， a new type of agricultural greenhouse monitoring system is designed in this paper， which adopts distributed control system， multi-point distributed collection and control of the lower computer， centralized data processing of the upper computer to generate decision-making control information， wireless network communication between the master and the slave computer to realize the functions of centralized environment control， real-time data upload network， online user viewing， etc.

Key words：agricultural greenhouse; intelligent network monitoring system; “Internet+”