溫室大棚環境監測仿真系統設計概述

杜偉 焦雪燕 黃良帥

摘 要 近年來，傳統的溫室大棚面臨著管理成本急劇增長等挑戰。為了解決上述問題，研究并設計了一套以STM32為主控芯片的溫室大棚環境監測仿真系統。系統結合傳感器和智能控制技術，模擬了對溫室大棚的一些基本環境因子的監測，并通過無線傳輸技術將采集的數據上傳至OneNET平臺，可根據實際需要對溫室環境進行自主調節。該系統能夠根據植物生長習性的不同而調整環境閾值，可以適用于不同的種植環境。

關鍵詞 溫室大棚;環境監測;智能控制;云平臺

Design of Environmental Monitoring Simulation System for Greenhouse*

Du Wei Jiao Xueyan Huang Liangshuai Yao Lixuan Gong Xiugang

School of computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255049， China

Abstract In recent years， traditional greenhouses have faced challenges such as rapidly increasing management costs. In order to solve the above problems， a set of greenhouse greenhouse environment monitoring simulation system with STM32 as the main control chip was designed. The system combines sensors and intelligent control technology， simulates the monitoring of some basic environmental factors in the greenhouse， and uploads the collected data to the OneNET platform through wireless transmission technology， which can independently adjust the greenhouse environment according to actual needs. The system can adjust the environmental threshold according to different plant growth habits， and can be applied to different planting environments.

Key words Greenhouse; Environmental monitoring; Intelligent control; Cloud platform

引言

近年來，由于缺乏科學高效的管理方法，大多數的傳統農戶是根據自身經驗和簡易設備來對溫室環境進行調節，而且缺少智能化和機械化的結構設施，需要大量人力資源進行管理，稍有不慎便會造成經濟損失。溫室大棚環境監測仿真系統結合傳感器技術、智能控制技術以及與云平臺的數據共享，可以實現少數人使用終端設備來實時監測大棚內的環境數據并實行相對應的遠程智能控制。能幫助管理者及時掌握溫室內環境數據并加以調控，降低經濟損失和管理成本。

1 系統組成

本次開發的溫室大棚環境監測仿真系統以STM32F103RET6單片機作為主控制器，外圍主要包括OneNET網絡平臺、數據采集模塊和智能控制模塊三部分。其具體結構如圖1所示。

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系統主要功能為通過已安裝的外圍傳感器來實時精確地采集當前溫室大棚內的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照強度等一系列對溫室農作物生長具有影響的環境數據，然后通過STM32單片機連接的ESP8266 WIFI無線傳輸模塊將采集到的數據發送至OneNET平臺。利用OneNET平臺的開放資源，在用戶自創建的應用中以圖表的方式來實時更新當前溫室內的環境信息。同時可以通過實時比較已采集到的數據值與人為設定的閾值之間的差距，使用用戶端應用內的按鈕遠程控制大棚內的補光燈、水管和風扇的使用，實現溫室內環境智能化的調節。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊綜合價格低，靈敏度高，輸出穩定等考慮選用了MG811電解質二氧化碳傳感器，在此系統中我們選擇其TTL電平輸出。基于系統出于仿真的考慮和實行的復雜性和性價比，選用了精度相對適中的YL-69土壤濕度傳感器。在溫濕度和光照強度采集方面，由于直接選用數字輸出的傳感器可以去除模數轉換的復雜過程，分別選用了DHT11和GY-30。其采集原理均為檢測STM32I/O口的高低電平。在設計時將蜂鳴器的響聲作為接入云平臺的提示音，所以系統工作時只需等待蜂鳴器發出“滴”的聲音。單片機所連接的傳感器通過UART串口通信的方式將數據發送給單片機，并保存在單片機的儲存卡中，完成溫室環境因子的采集。

2.2 智能控制模塊

系統需要使用大量的繼電器，其連接方式如下：繼電器的IN口與單片機的I/O口直接相連接，NO口和COM口分別與12V電源和外圍機械相連接，使得繼電器、電源和外圍機械連接成一個閉合回路。其控制原理為：將上層命令轉化為數字量，根據數值的不同控制單片機I/O口輸出的高低電平，分別對應著繼電器的通斷狀態，從而間接地控制風扇、水管、燈泡等外圍機械設備的使用。

3 系統軟件設計

3.1 接入平臺設置

系統需要通過第三方API接口來接入OneNET物聯網平臺。本系統需要首先確認工作環境下的可以使用的WIFI網絡，在代碼中無線傳輸模塊相應的AT指令下寫入將要連接的WIFI名稱和密碼。系統接入時選用了一種基于TCP的長連接協議——EDP協議[1]。即在云平臺創建基于EDP協議連接的設備產品[2]。然后在平臺接入協議的代碼中找到設備的ID和APIkey，修改至與所創建設備的相關信息一致。如果OneNET平臺的設備管理列表中顯示設備在線，則成功接入平臺網絡。其連接原理為：STM32單片機通過ESP8266模塊接入環境中存在的WIFI網絡，利用連接的WIFI間接連接OneNET平臺，實現上網和數據交互的功能。

3.2 GUI應用模塊

本系統采用了OneNET平臺提供的應用界面。等待設備上線后，傳感器采集到的數據將通過無線傳輸模塊上傳到OneNET平臺。用戶在創建的應用里可以看到圓盤表和折線圖式的數據。等待主控板設備上線成功，打開已創建的與主控板發送的數據流相關聯的API應用，數據會顯示在應用上，也可以通過應用對主控板實現反向的控制。

應用控制原理如下：通過平臺比較獲取的環境數據和人為在應用中設置的閾值的差異，來向設備發送字符串命令，主控板收到平臺下發的命令后進行解包，按下應用中OFF和ON的按鈕，將對應下發不同的字符串命令，字符串命令在單片機內經程序轉化為1和0的數值。若轉化后的數值為1，則控制繼電器的閉合，外圍設備便會與電源接通并進行工作。反之轉化為0，則控制繼電器斷開，設備失去電力供應便停止工作。其部分數據顯示及控制應用如圖2所示。

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4 結束語

本仿真系統模擬了對溫室中能夠影響農作物生長的主要環境因素的實時數據監測，而且借助免費的云平臺應用，使其能夠在網頁端以圖表的形式顯示，易于觀察和記錄。同時能夠根據農作物的不同，改變各環境影響因素的閾值并加以遠程環境調控，可以定制于多種不同習性的農作物的種植。后期此系統也可進一步的完善，實現對模塊的分立控制，能源的消耗將有效降低。同時可以完善應用并進行后期的數據分析，使管理者更好地了解農作物的生長狀態，以便于及時做出控制調整。

參考文獻

[1]孫忠祥.基于設備云平臺的智能農業溫室大棚遠程監控系統的實現[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2017.

[2]肖蕾，劉威，黃慧明.多場景環境監測系統的設計與實現[J].信息技術，2019（6）：96-100，105.

作者簡介：

杜偉（2000-），男，山東菏澤人;學歷：本科三年級，畢業院校：山東理工大學在校生，山東理工大學在讀，專業：通信工程，研究方向：通信工程。

焦雪燕（1997-），女，山東濱州人;學歷：本科四年級，山東理工大學在讀，專業：計算機科學與技術，研究方向：計算機科學與技術。

黃良帥（1999-），男，山東濟寧;學歷：本科三年級，畢業院校：山東理工大學在讀，專業：計算機科學與技術，研究方向：計算機科學與技術。

姚力煊（1998-），男，山東榮成人;學歷：本科三年級，畢業院校：山東理工大學在讀，專業：計算機科學與技術，研究方向：計算機科學與技術。