基于MQTT協(xié)議的智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化控制系統(tǒng)

黃毅凱

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)管理效率較低，大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制自動(dòng)化低等問(wèn)題，本文提出了一個(gè)基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的小型智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6微控制器作為主控，結(jié)合空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤溫濕度傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，設(shè)計(jì)了光照控制模塊、恒溫控制模塊和灌溉控制模塊，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了PID溫度算法，把溫度偏差和溫度偏差變化率作為輸入，經(jīng)處理決策，實(shí)現(xiàn)大棚溫度精準(zhǔn)控制。

關(guān)鍵字：智慧農(nóng)業(yè)大棚;MQTT協(xié)議;溫度PID控制;WIFI通信;云平臺(tái)

1引言

1.1研究背景及意義

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中得到了進(jìn)一步進(jìn)展，智慧農(nóng)業(yè)得到廣泛推廣。廖建尚等人[1]設(shè)計(jì)的一款基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)就是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)例子。智慧農(nóng)業(yè)就是一個(gè)經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)把農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)技術(shù)結(jié)合的復(fù)雜系統(tǒng)。它不是簡(jiǎn)單的替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，而是在其基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)迭代，是農(nóng)業(yè)技術(shù)與現(xiàn)代科技結(jié)合的產(chǎn)物。智慧農(nóng)業(yè)在感知層、傳輸層和應(yīng)用層的配合下，實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)理性的農(nóng)業(yè)種植決策和更加精準(zhǔn)智能的農(nóng)業(yè)種植操作[2]。

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103C8T6開發(fā)板所設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化控制系統(tǒng)，采用DHT11、光敏電阻等傳感器作為農(nóng)業(yè)種植信息采集設(shè)備，再配合以水泵、風(fēng)扇、恒溫加熱器等設(shè)備作為執(zhí)行機(jī)進(jìn)行連接，進(jìn)行基礎(chǔ)的控制功能。該智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化控制系統(tǒng)利用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，相較于傳統(tǒng)的藍(lán)牙、WiFi和ZigBee等協(xié)議，MQTT協(xié)議可以用有限的代碼和帶寬，給硬件條件低下的設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)，所以是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)議的一大首選項(xiàng)。該系統(tǒng)還采用ESP8266芯片，連接WIFI，降低了組網(wǎng)的成本，加入了PID算法，在線修訂PID控制器的參數(shù)，達(dá)到很好的溫度控制效果，使系統(tǒng)具有較好的自適應(yīng)性。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳感端主要由多個(gè)傳感器組成，是智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)采集重要組成部分;網(wǎng)絡(luò)端由ESP8266串口WIFI模塊、云平臺(tái)和手機(jī)終端組成，網(wǎng)絡(luò)端是傳感端和控制端數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)闹匾ＷC;控制端由恒溫控制器、加濕器、風(fēng)扇、水泵、遮陽(yáng)網(wǎng)和補(bǔ)光燈組成。由傳感端采集數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)端的上傳及處理后再由控制端來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室大棚的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)上傳節(jié)點(diǎn)、控制器狀態(tài)上傳節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)信息接收節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)。在自動(dòng)模式下，由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)交由自動(dòng)控制模塊去判斷控制器的開關(guān)后控制器上傳節(jié)點(diǎn)上傳狀態(tài)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。在手動(dòng)模式下，由數(shù)據(jù)信息接收節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的信息，繼而對(duì)控制器做出相對(duì)應(yīng)的處理后控制器狀態(tài)上傳節(jié)點(diǎn)和控制開關(guān)上傳節(jié)點(diǎn)上傳狀態(tài)。

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

在數(shù)據(jù)采集中，采用實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)保存在數(shù)組中，當(dāng)數(shù)據(jù)需要上傳和使用時(shí)由系統(tǒng)調(diào)出。

3.2數(shù)據(jù)上傳模塊

在數(shù)據(jù)上傳中，本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)上傳和定時(shí)上傳相結(jié)合。在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的發(fā)送中，執(zhí)行每一次循環(huán)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。在定時(shí)上傳時(shí)，采用計(jì)時(shí)器多次采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理得出平均值，再通過(guò)發(fā)送函數(shù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

3.3控制器狀態(tài)上傳模塊

在控制器狀態(tài)上傳中，當(dāng)控制器的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用上傳函數(shù)將控制器的狀態(tài)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，控制器狀態(tài)實(shí)時(shí)更新，在開啟和關(guān)閉中切換。

3.4控制器開關(guān)狀態(tài)上傳模塊

在控制開關(guān)狀態(tài)上傳中，當(dāng)控制器開關(guān)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用上傳函數(shù)將控制器開關(guān)狀態(tài)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。控制器開關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新，在開啟、關(guān)閉和自動(dòng)三種狀態(tài)中切換。

3.5數(shù)據(jù)信息接收模塊

在數(shù)據(jù)信息接收模塊，主要用來(lái)接收由云平臺(tái)下發(fā)的信息。主要接收控制器的控制信息，當(dāng)系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)開關(guān)的命令時(shí)，核心芯片就會(huì)接收到來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)信息，芯片進(jìn)行解碼過(guò)后得出有效信息，進(jìn)而對(duì)控制器進(jìn)行處理。

3.6自動(dòng)控制模塊

在自動(dòng)控制模塊，即在系統(tǒng)處于自動(dòng)控制時(shí)，自動(dòng)去調(diào)用判斷函數(shù)，用來(lái)判斷條件是否滿足，控制器是否去執(zhí)行開關(guān)控制。當(dāng)采集數(shù)據(jù)后判斷，當(dāng)滿足條件時(shí)對(duì)控制器進(jìn)行操作，不滿足時(shí)則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

3.7基于PID算法的溫度控制器模塊

本系統(tǒng)溫度控制的總體思想是輸入用戶期望值Sv（設(shè)定值）經(jīng)控制算法輸出一個(gè)輸出信號(hào)OUT，輸出PWM信號(hào)加載到執(zhí)行部件上（MOS管）對(duì)加熱片進(jìn)行控制，控制對(duì)象的當(dāng)前溫度值（Xk）通過(guò)傳感器反饋給控制算法與Sv相比較。

4系統(tǒng)功能測(cè)試

為了測(cè)試基于MQTT協(xié)議的智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本章節(jié)通過(guò)模擬真實(shí)大棚環(huán)境對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖4-1所示。

5總結(jié)

通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚的研究，本文可得到一個(gè)較為穩(wěn)定的溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)。基于MQTT協(xié)議的智慧農(nóng)業(yè)大棚一體化控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)傳感器精準(zhǔn)采集空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度，通過(guò)執(zhí)行機(jī)自動(dòng)對(duì)溫室大棚的環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，特殊情況下可手動(dòng)控制。本系統(tǒng)可以在手機(jī)終端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制。相對(duì)傳統(tǒng)的溫室大棚而言，減少了勞動(dòng)力提高了自動(dòng)化的程度和現(xiàn)代化程度。

參考文獻(xiàn)

[1]廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（11）：233-243.

[2]熊航.智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的挑戰(zhàn)及對(duì)策[J].人民論壇·學(xué)術(shù)前沿，2020（24）：90-95.

[3]姚丹，謝雪松，楊建軍等.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息通信，2016（3）：33-35.

[4]盧于輝，秦會(huì)斌.基于MQTT的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能物聯(lián)技術(shù)，2019，51（2）：41-47.