基于IoＴ平臺的智能溫室大棚測控系統(tǒng)實現

何文靜 肖紫蕓 肖玲玲

摘? 要：隨著農業(yè)設施的發(fā)展，溫室大棚在農業(yè)生產中的地位越來越重要。溫室大棚的運用有效降低了外界環(huán)境對農植物生長帶來的惡劣環(huán)境，是提高農植物的生長周期與產量的有效途徑之一。在農植物種植過程中，大棚環(huán)境的控制對于種植的農植物的生長狀況至關重要，文章設計的溫室大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片，通過ESP8266和TCP協(xié)議實現單片機與移動設備的通信。用戶可以通過系統(tǒng)自帶的LCD1602液晶顯示屏或移動設備查看實時環(huán)境參數。系統(tǒng)支持手動按鍵設置自動控制范圍和通過移動設備登錄物聯(lián)網平臺的網頁、APP或者微信公眾號查看環(huán)境參數遠程調控環(huán)境兩種方式去使溫室環(huán)境恒定。

關鍵詞：STC12C5A60S2;ESP8266;TCP協(xié)議;物聯(lián)網;LCD1602

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）34-0039-03

Abstract： With the development of agricultural facilities， greenhouse plays an increasingly important role in agricultural production. The use of greenhouse effectively reduces the adverse environment of the external environment for the growth of agricultural plants， and is one of the effective ways to improve the growth cycle and yield of agricultural plants. In the process of planting plants， the control of greenhouse environment is very important for the growth of plants. The temperature and humidity automatic control system of greenhouse designed in this paper uses STC12C5A60S2 single chip as the control chip， and realizes the communication between the single chip and the mobile device through ESP8266 and TCP protocol. Users can view the real-time environment parameters through the LCD1602 LCD or mobile device provided with the system. The system supports manual buttons to set up automatic control range and mobile devices to log in the Internet of things platform web pages， APP or WeChat official account to see environmental parameters， remote control environment two ways to make the greenhouse environment constant.

Keywords： STC12C5A60S2; ESP8266; TCP protocol; Internet of Things （IoT）; LCD1602

前言

我國作為人口大國，對于糧食的需求量十分大，不斷增長的人口、有限的土地資源，使得農業(yè)在我國是重要的支柱型產業(yè)，對我國的經濟發(fā)展有著決定性的影響[1]。21世紀以來隨著我國農業(yè)的發(fā)展，國家對于農業(yè)生產技術的大力投入推廣，大棚技術不斷在農業(yè)生產中普及，農戶對溫室大棚的使用不斷增加，從而導致溫室大棚在我國現代農業(yè)成產中的比重日益增長。溫室大棚對于蔬菜、花卉為主的植物栽培有著重要的作用，其產業(yè)被看作21世紀活力的新型產業(yè)之一。

對于傳統(tǒng)農業(yè)而言，農植物的成長嚴重依賴于自然天氣，而我國大部分地區(qū)的氣候對于農植物的生長有著很大的約束，嚴重限制了農植物的產量和生長周期。溫室大棚可以為農植物提供適宜的生長環(huán)境[2]，避免外界自然環(huán)境變化和自然災害來臨導致的對農植物生長的不良影響，減小農植物對于外界環(huán)境的依賴，并且利用冬季自然光能生產優(yōu)質反季節(jié)產品，增長農植物的生長周期。溫室是農植物在栽培中最重要的環(huán)境條件，而溫室的重要參數空氣中的溫度和濕度、光照強度等[3]，不同種類的植物物種對于溫度和濕度的要求不相同，為了最終成長而成的蔬菜或花卉等農植物品相好，使得農植物商品不受外界條件的限制，滿足現在居民生活水平，促使農戶的利益最大化，保證適宜的、良好的生長環(huán)境至關重要。

溫室大棚的用戶對象是農戶，開發(fā)低成本的溫室大棚溫濕度控制系統(tǒng)至關重要。現如今物聯(lián)網是現代信息技術發(fā)展到當今階段的必然產物，智能農業(yè)成為發(fā)展趨勢，社會經濟發(fā)展到現階段的新要求[4-5]，將現代化計算機技術、物聯(lián)網技術結合單片機技術用于控制溫室環(huán)境，可以遠程加自動控制大棚內的溫濕度等因素，減少人工成本，把農戶從大棚農作中解放出來，隨時隨地監(jiān)控室內溫濕度，及時調控室內溫濕度等重要環(huán)境參數，保證農植物始終處于最佳生長狀態(tài)，將控制失誤成本降低。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)硬件總體設計

基于物聯(lián)網平臺的大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為控制芯片，5V電壓供電，通過相應的傳感器實時檢測大棚內環(huán)境參數數據并將數據通過A/D電路進行采樣、量化、編碼后實時顯示出來并通過WiFi上傳到物聯(lián)網平臺。系統(tǒng)如圖1所示主要分為檢測模塊、顯示模塊、通信模塊和控制模塊。檢測模塊分為按鍵檢測單元和大棚環(huán)境參數檢測單元，大棚環(huán)境參數檢測單元由溫濕度檢測、光照強度檢測和土壤濕度檢測構成，用于檢測大棚內環(huán)境實時參數。顯示模塊主要實現LCD1602液晶屏和云平臺實時顯示系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數。WiFi模塊由ESP8266芯片實現WiFi功能，該模塊通過TCP通信協(xié)議讓單片機與物聯(lián)網平臺實現雙向通信。控制模塊由加溫控制、水泵控制和風扇控制構成，通過該模塊實現對大棚內環(huán)境參數的自動控制和云控制。

1.2 系統(tǒng)軟件總體設計

系統(tǒng)軟件的實現主要是使用keil軟件編程系統(tǒng)代碼以及用tlink網站搭建物聯(lián)網平臺。keil程序代碼如圖2所示主要分成延遲處理、A/D轉換、串口通信、按鍵設置、傳感器設置、LCD1602設置和WiFi設置，將部分參數設置與tlink相關聯(lián)，通過各函數的相互作用實現系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)設計原理及運用

2.1 STC12C5A60S2單片機

STC12C5A60S2單片機是新一代8051系列雙串口的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，具有高速、低功耗、強抗干擾能力等特點。它是STC89C52的升級版芯片，傳統(tǒng)的8051指令代碼可以完全兼容于該單片機。該芯片的工作電壓在3.3V-5.5V，工作頻率范圍在0-35MHz，該芯片用戶最高可以應用的程序空間為62K字節(jié)。芯片的IO端口共有40個，IO端口有四種工作模式，分別為弱上拉、強上拉、輸入/高阻和開漏，該芯片自帶A/D轉換電路，不用在外加AD轉換電路，它含有兩個全雙工串行通信接口，串口通信功能比較強大。與STC89C52單片機相比，STC12C5A60S2單片機的讀取處理速度更快，是STC89C52單片機的8-12倍。其自帶A/D轉換電路和PWM，比STC89C52單片機多了兩個定時器和一個串口，增加了PCA定時器，且內部有EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲器），掉電后數據不會丟失。

2.2 土壤濕度數據處理

本文設計的系統(tǒng)采用的是運用電容感應原理工作的土壤傳感器，它避免了傳統(tǒng)土壤濕度傳感器易被腐蝕的缺點。在使用該傳感器前要進行一個干濕度校準操作，該操作主要通過分別讀取傳感器在空氣中和水中的數值來限定土壤濕度檢測的測量范圍，在矯正代碼燒錄到板子中后，將傳感器放置在空氣中讀取模擬值X1，代表干燥的時候的讀數，百分比設定為0%。接著將傳感器插入水中讀取模擬值X2，代表潮濕環(huán)境下的值，百分比設定為100%。對獲取的兩個干濕度校準數據用線性直線 y=kx+b擬合，其中y表示土壤濕度百分比，x表示實時土壤濕度的值，斜率k=（X2-X1）×100，截距b=X1×100。

采用的土壤傳感器在空氣中讀取的模擬值X1=2.13，在水中讀取的模擬值為X2=1.35，通過計算得到擬合的線性直線方程為y=213-78x。

程序設計中令土壤傳感器通過AD模數轉換獲取的數字信號的值為 tmp，由上文可知

本文系統(tǒng)的DA數模轉換分辨率為：

LSB=FS/（2^10）? ? ? ? ? ? ? （1）

供電電壓為5V，則經過DAC后得到的模擬信號的值：

Voltage=tmp×（5/（2^10））? ? ? （2）

將該值放入擬合的線性直線方程中即可得到大棚內土地中的實時土壤濕度百分比。

2.3 WiFi設置

2.3.1 4G通信技術

4G通信技術即第四代移動信息系統(tǒng)，它是從3G通信技術的基礎上發(fā)展而成，它結合了3G通信技術和WLAN技術兩者的優(yōu)點，并大幅度提升了通信速度、上網速度以及數據傳輸速度等。4G通信技術的高速讓物聯(lián)網變得可以實現，物聯(lián)網開始興起。

2.3.2 TCP協(xié)議

現在的Internet的主流協(xié)議族為TCP/IP協(xié)議族，這是一個分層、多協(xié)議的通信體系。TCP/IP協(xié)議族共分為四層，協(xié)議系統(tǒng)自上而下依次分別是應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層。每一層通過對應層的協(xié)議完成各自不同的功能和任務且封裝后給上層協(xié)議提供服務。

TCP協(xié)議是該協(xié)議族中傳輸層的一個常用的協(xié)議，它比該層協(xié)議之一的UDP協(xié)議更加可靠，它主要通過超時便重傳數據的方式確定接受端給應用層提供了端對端、可靠的基于流的協(xié)議服務，給通信雙方提供一個穩(wěn)定的連接道路。TCP協(xié)議將數據流分割成一段報文段，并給每個報文段確定序號確保數據發(fā)送正確。

2.3.3 TLINK物聯(lián)網設置

TLINK物聯(lián)網是一個面向物聯(lián)網產品的開放平臺，它提供網頁端、APP和微信公眾號三個平臺供用戶登錄查看和控制單片機設備。

系統(tǒng)WiFi物聯(lián)網頁面設置通過網址https：//www.tlink.io/進入TLINK網頁端，添加名字為大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)的設備，并將設備的鏈接協(xié)議設置為TCP協(xié)議，在該設備下添加四個數值型傳感器和三個開關型傳感器。其中四個數值型傳感器分別命名為溫度、濕度、光照強度和土壤濕度，用來顯示大棚內系統(tǒng)硬件檢測的大棚對應的實時環(huán)境參數，三個開關型傳感器命名為風扇、加熱和抽水，分別用來打開或關閉控制風扇、加熱器和水泵開關的繼電器。將傳感器單位、精度等設置好后保存設備。接著給該設備設置協(xié)議標簽，本文系統(tǒng)設置的協(xié)議標簽數據頭標簽[H]和結束符標簽[T]都為“#”，分隔符[S]為“-”。最終編輯的協(xié)議為[H：#] [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [S：-]? [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [T：#]。最后將設備的序列號復制到代碼對應位置，完成物聯(lián)網平臺的設置。

3 系統(tǒng)實驗結果

將系統(tǒng)用USB連接電腦給系統(tǒng)提供電源，然后用適量的土壤裹著土壤干濕度傳感器模仿土地環(huán)境，打開系統(tǒng)，通過手機微信端進入TLINK小程序對系統(tǒng)進行實驗，實驗結果如圖3所示。數據顯示系統(tǒng)運行正常。

4 結束語

系統(tǒng)設計是根據我國目前溫室大棚的現狀與需求給出的方案，可以用來針對目前運行的大型聯(lián)動傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)進行提升改造作參考，系統(tǒng)具有較高的性價比。系統(tǒng)采用的硬件材料可靠、便宜，系統(tǒng)整體成本低，也適合大多數獨立種植的農戶中推廣。它結合了目前移動設備的普遍性和便利性，支持手動按鍵方式和遠程控制方式兩種方式。其中遠程監(jiān)控主要通過ESP8266和TCP協(xié)議實現將放置在大棚內的系統(tǒng)以4G網絡與移動設備建立通信連接，讓用戶脫離大棚，遠程對大棚參數進行監(jiān)控，減少人工的負擔，對提過生產效率具有較好的實際意義。

參考文獻：

[1]孫慶波，鮑忠宇.基于單片機的溫室大棚濕度監(jiān)測和控制系統(tǒng)設計[J].中外企業(yè)家，2018（33）：137.

[2]薄英男.溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實驗[D].新疆農業(yè)大學，2017：1-2.

[3]雷長根，李昆侖，付若松.智能溫室大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設計[J].電子制作，2020，26（Z1）：24-25.

[4]韓毅.基于物聯(lián)網的設施農業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究[D].太原理工大學，2016：2-3.

[5]劉錦.溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)[J].南方農機，2020，51（06）：28-29.