基于物聯網技術的溫室大棚環境監測與控制系統模塊化設計

楊 明，楊建國，宋 楊，強承魁

（徐州生物工程職業技術學院，江蘇 徐州 221006）

0 引 言

農業大棚是設施農業的重要組成部分，也是我國農業發展的重點之一[1]，是推動農業科技與傳統農業相結合、帶動農業轉型升級的最直接表現形式。溫室大棚作為設施農業中應用最廣的產品， 目前，中小型溫室的環境檢測與控制系統產品，多為國內廠家提供，檢測與控制技術主要基于ZigBee、DS18B20、PLC以及單片機等。這些產品雖然能夠滿足溫室大棚的環境監測與控制要求，但產品的標準化、模塊化、通用化尚不夠理想，成本較高。

為了實現溫室大棚的環境智能檢測與控制，使大棚內的作物正常生長，必須對棚內環境，如CO2濃度、光照度、空氣和土壤的溫濕度等要素進行實時監控[2-3]，滿足作物生長需求。由于不同的作物對生長環境要求不同，或者用戶對監測要素的特別需要，如何在監控系統設計環節靈活調整環境監控要素，在降低設計難度的同時，又便于用戶的使用和維護，為此開發研制一套基于物聯網技術的環境自動檢測和控制裝置，實現溫室大棚的環境監測與自動控制。

1 整體方案設計

系統依托傳感器技術、遠程控制技術以及傳統的溫室大棚作物生產工藝，針對溫室大棚基本環境正常有效運轉的控制要求，而設計的具有較高可靠性、安全性以及可擴展性的遠程監控與管理系統[4-7]，主要包括：溫室大棚土壤濕度監測與控制模塊、溫室大棚溫濕度監測與控制模塊、溫室大棚CO2濃度監測與控制模塊、溫室大棚光照度監測與控制模塊。

系統主要采用最新的工業級傳感器采集信息，利用RS 485通信將變送器輸出的信號和PC連接，以實時顯示環境信息。同時將變送器輸出的4～20 mA電流放大后，自動控制相關負載工作，使環境參數符合規定要求。本項目還采用遠程控制技術（基于WiFi技術），必要時遠程控制負載工作。當環境參數超出規定的數值時，同時還具備短信報警功能（基于GSM技術）。

系統硬件采用環境適應力強的模塊化產品，故障少，維護方便，操作簡單，經濟性好；軟件立足自主開發，界面簡練清晰，便于用戶操作[8-9]。同時，該系統緊緊抓住作物生長的關鍵指標進行監測與控制，簡化了監控對象，加上模塊化的產品組裝，簡單的用戶培訓，都使產品成本降低。

2 技術方案

溫室大棚內作物生長的環境要素主要有：CO2濃度、PM2.5濃度、光照度、空氣和土壤的溫濕度以及土壤的養分含量（如氮、磷、鉀）等。為了便于開展模塊化監控系統的設計，選擇了作物生長最基本的四個要素：土壤的濕度、CO2濃度、光照度和空氣溫濕度展開設計。系統的環境信息采集、處理、輸出和控制原理如圖1所示。

圖1 溫室大棚環境檢測與控制系統模塊化工作原理

圖中，溫室大棚作物生長的基本環境數據，通過土壤水分變送器、CO2變送器、光照度變送器和空氣溫濕度變送器負責采集，采集到的信息通過變送后，分兩路信號向外輸出，一路數據經RS 485總線傳輸，并由RS 485轉RS 232模塊（或USB模塊）與PC相連，通過相應的軟件實時顯示溫室大棚內的環境信息；另一路數據變送為4～20 mA標準電流，輸入到智能變送儀，去控制其自帶的繼電器（負載較大時需外接繼電器或接觸器）常開或常閉觸點，來自動控制相應負載的工作狀態，進行澆灌、噴淋、補光或施肥等操作。同時智能變送儀上繼電器觸點的通斷也會觸發短信報警功能。WiFi模塊的作用是通過手機APP軟件遠程控制負載的工作。

由圖1模塊化設計的溫室大棚環境監控系統原理可以看出，本系統是基于物聯網技術，依托傳感器技術、計算機技術和遠程控制技術，并可以根據作物對生長環境的要求或用戶對監測要素的特別需要，而設計的模塊化以及可擴展的在線監控與管理系統。

3 模塊化溫室大棚環境監測與控制系統電路設計

按照模塊化設計的溫室大棚環境監測與控制系統的工作原理圖，即可展開系統的諸模塊電路設計，包括電源模塊、變送器信號傳輸和設備控制模塊、WiFi遠程控制模塊、短信報警模塊以及繼電器控制模塊等，選用的變送器均為國內某知名廠家的產品。

3.1 電源模塊設計

如圖2所示，系統的電源采用體積小、功耗低和穩壓范圍寬的開關電源模塊，輸入電壓為AC 220 V，輸出電壓為DC 12 V，可以向系統的子模塊提供穩定的直流電源。

圖2 電源模塊接線圖

3.2 變送器信號傳輸和設備控制模塊化設計

圖3為土壤水分監測與控制模塊電路，圖4為繼電器控制模塊電路。圖3中的土壤水分變送器選用國內某知名廠家的產品，該土壤水分變送器的性能具有精度高、響應快、輸出穩定和受土壤含鹽量影響較小等特點，適用于各種土質，可長期埋入土壤中。智能變送器型號為XMT604B，工作電壓為AC/DC 85～260 V，繼電器觸點允許通過的最大電流為0.3 A。經過實際應用，本系統選用了智能變送器控制負載工作，而非一體式工控模塊，原因是智能變送器呈現了測量精度高、工作可靠和輸出信號穩定等優點，避免了一體式工控模塊出現的多點輸出信號易干擾、控制負載不穩定等缺點。

圖3 土壤水分監測與控制模塊電路

自動澆灌的工作過程為：土壤水分變送器采集到的信息分兩路信號向外輸出，一路輸出RS 485信號，經過RS 485總線傳輸至PC（PC上若不帶RS 485接口，可以通過RS 232模塊或USB模塊轉接到PC），配合廠家提供的監測軟件，實時顯示土壤的水分狀態；另一路0～20 mA模擬信號輸出到智能變送儀1，模擬信號經過變送后，控制智能變送儀自帶的繼電器K21動作，即當土壤缺水時，變送儀輸出的電流變小，當低于變送儀設置的下限時，繼電器K21得電，K21常開觸點閉合。由圖4可知，中間繼電器K1得電，K1的常開觸點閉合，水泵電機開始工作，實現了自動澆灌。當土壤水分增加時，變送儀輸出的電流變大，超過變送儀設置的上限時，繼電器K21失電，K21常開觸點打開，中間繼電器K1失電，K1的常開觸點打開，水泵電機停止工作，澆灌自動結束。

圖4 繼電器控制模塊電路

圖5為CO2濃度監測與控制模塊電路圖，與圖3的自動澆灌模塊電路圖對比可知，由于采用了模塊化電路設計方案，雖然變送模塊不同，但其信號的輸出、放大，信息的顯示以及負載的控制等，電路工作模式是相同的。其工作過程為：CO2變送器采集到的信息分兩路信號向外輸出，一路輸出RS 485信號，經過RS 485總線傳輸至PC，實時顯示溫室大棚的CO2濃度；另一路0～20 mA模擬信號輸出到智能變送儀2，當溫室內CO2濃度降低時，CO2變送器輸出的電流變小，當低于變送儀2設置的下限時，變送儀2自帶的繼電器K22得電，K22常開觸點閉合。由圖4可知，中間繼電器K2得電，K2的常開觸點閉合，CO2發生器開始工作，溫室內CO2濃度增加，實現了CO2自動施肥。當溫室內CO2濃度增加時，變送儀2輸出的電流變大，超過其設置的上限時，繼電器K22失電，K22常開觸點打開，中間繼電器K2失電，K2的常開觸點打開，CO2發生器停止工作，CO2自動施肥結束。

同理，在實際應用時，還可以依據作物對生長環境的需求或用戶的需要，增加其他種類的傳感器變送模塊。比如溫室大棚光照度監測與控制模塊以及空氣溫濕度監測與控制模塊等，并按照模塊化電路的設計原理來設計電路，即可實現不同的環境監測與控制功能，如圖6和圖7所示。

3.3 WiFi模塊電路設計

水泵電機還可以通過WiFi模塊實現遠程控制負載工作，如圖8所示。首先在手機上安裝APP軟件（本系統采用了開放的物聯網云平臺—易微聯），與WiFi模塊配對成功后，通過手機端就可以遠程控制負載的工作。例如在易微聯APP軟件上打開水泵開關，WiFi模塊上的K11開關閉合，從圖3可以看到，當K11閉合后，水泵開始工作，從而實現了遠程控制。其余負載的遠程控制工作過程與此相同。

圖5 CO2濃度監測與控制模塊電路

圖6 光照度監測與控制模塊電路

圖7 空氣溫濕度監測與控制模塊電路

圖8 WiFi遠程控制模塊電路

3.4 短信報警模塊電路設計

圖9為基于GPRS技術的短信報警模塊電路，選用了可接收8個開關量信號的模塊。當外界裝置觸發，信號發生變化時，通過短信報警模塊向綁定的手機發出信號，以便用戶獲取相應的信息。該電路工作過程如下：當變送器檢測的土壤水分、CO2濃度、光照度或大棚溫濕度信號超限時，智能變送儀上的K21～K25上的常開觸點動作，觸發信號對應輸入到短信報警模塊的1～5接口，模塊通過移動信號向用戶發送事先錄入的短信內容。本短信報警模塊根據需要，也可聯動控制外部設備，如報警器等。

圖9 短信報警模塊接線圖

4 系統功能測試

該系統主要模塊變送器型號及技術指標如下：

（1）CO2變送器型號為RS-CO2-N01（I20）-2，CO2濃度測量范圍為0～5 000 ppm，精度為±（40 ppm+3%F·S）（25 ℃）；測量環境的溫度為-40～80 ℃，測量環境的濕度為0～100%RH。

（2）土壤水分變送器型號為RS-WS-N01（I20）-TR。變送器測量范圍為0～100%RH（相對濕度），水分精度為±3%，存儲環境為-40～80 ℃。

（3）光照度變送器型號為 RS-GZ-N01（I20）-02；光照度量程為0～2×105Lux（25 ℃）；精度為±7%（25 ℃）；測量環境溫度為-20～60 ℃；測量環境濕度為0～80%RH。

（4）空氣溫濕度變送器型號為RS-WS-N01（I20）-SMGFL；溫度測量范圍為-40～80 ℃，溫度精度為±0.5 ℃；濕度測量范圍為0～100%RH，濕度精度為±3%RH。

根據溫室大棚環境特點及各主要模塊技術指標參數，系統功能測試地點選擇學院琴湖果蔬大棚，本次測試內容為實時采集大棚內的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度以及光照度等數據，數據采集時間為2019年10月12日，并上報至管理控制平臺。

經測試，由于中東部地區10月份天氣以晴朗為主，溫度和土壤濕度變化不大，但是由于晝夜交替，CO2濃度隨著光照影響發生變化。數據表明，在11：00左右CO2濃度降至谷底，18：00以后，CO2濃度回升，系統參數設置CO2濃度為750 ppm時，系統自動開啟，濃度達到1 000 ppm時，系統自動關閉；光照度設置為1 500 Lux時系統自動開啟，光照度達到3 500 Lux時自動關閉。通過數據測試，監測終端能夠穩定采集數據，檢測平臺能夠實現對數據的實時顯示并及時開啟響應設備。系統功能完備，工作穩定性較好。

5 結 語

借助物聯網技術，依據模塊化的電路設計方法來設計的溫室大棚環境監測與自動控制系統，可以按照用戶及作物生長的需要，合理選擇環境監控要素，諸如空氣溫濕度、光照度、土壤水分濕度以及二氧化碳濃度等參數，靈活設計電路。模塊化的電路設計方法，在保證實時獲取溫室環境信息、負載（澆灌、通風換氣、加溫、補光等）的自動和遠程控制以及短信報警等功能的同時，也實現了溫室大棚環境的網絡化管理，減輕了設計人員的工作負擔，降低了用戶成本，并為以后的產品制造、安裝和維護帶來了方便，提高了經濟效益。