基于物聯網智慧溫室大棚監測控制系統

劉文生

（朝陽工程技術學校，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

隨著物聯網技術的發展，物聯網智慧農業應運而生。為實現對溫室大棚內溫度濕度等參數的精準調控，節約成本，提高經濟效益，可運用物聯網技術構建溫室大棚的智能監控系統[1]，對溫室大棚的溫度、濕度、土壤水分等環境數據進行實時的監測，并通過移動通信網絡無線傳輸到物聯網云平臺監控中心。農戶使用電腦或手機實時查詢大棚環境數據及各種調控環境設備的工作狀態，農戶可以通過移動網絡遠程操控大棚設備，監控中心管理系統也可以根據設定的參數自動調控設備，科學精準管理農作物生長，提高生產質量和效益。本文設計的智慧農業大棚監測控制系統，可用基于ZigBee協議組成的傳感器網絡采集大棚環境數據,具有功耗低、成本小、微型化和方便擴展的優點。主控制器采用STM32F103單片機，主控制器外接超低功耗且適合物聯網的A6無線網絡GPRS模塊，農作物圖像采集部分使用集成視覺算法的開源OpenMV4 H7攝像頭，可以追蹤病蟲害農作物進行拍攝，而傳統攝像頭無選擇地大量拍攝農作物圖片，浪費大量系統資源。

1 系統總體構架

基于物聯網的溫室大棚由感知層、網絡層、應用層構成。感知層主要包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤濕度等傳感器節點以及各種調節溫室大棚環境的控制設備[2]。網絡層包括基于ZigBee協議的無線傳感器網絡和接入網絡。無線傳感器網絡通信模塊實現大棚環境感知層傳感器節點、大棚控制器節點與網關之間的數據通信，網關負責把匯集的信息接入網絡，通過移動通信或互聯網網關實現與云服務平臺之間的數據交互，將大棚感知層的數據傳輸到物聯網云服務平臺。應用層以專家系統、人工智能和云計算平臺等為基礎，分析處理感知層采集的數據，向控制設備發出調整大棚環境指令信號，向農戶提供植物生長的科學信息。

2 系統硬件設計

系統硬件以STM32F103微處理器為核心，STM32F103單片機以Cortex-M3為內核，時鐘高達72M,有多達112個快速I/O接口和多種通信接口，成本低且性能好[3]。此外還有各種傳感器、視頻攝像頭、ZigBee傳感器網絡模塊、A6 GPRS通信模塊、大棚環境數據顯示模塊和溫室大棚環境調節設備控制模塊。

2.1 溫室大棚環境數據采集節點硬件

傳感器網絡模塊采用CC2630，它是ZigBee終端管理模塊和協調器模塊的核心。溫室大棚面積有幾百平方米，需要采集多個區域的溫度、濕度、光照等數據，傳感器數量可達上千個。ZigBee基于IEEE802.15.4標準的協議，無線網絡覆蓋幾百米，單個網絡最多可接入六千多個ZigBee設備,組網成本低，傳輸速度快，能夠滿足傳感器數據傳輸要求[4]。

（1）圖像采集攝像頭選用OpenMV4 H7，用于大棚農作物病蟲害的圖像采集。OpenMV4 H7內部集成了很多機器視覺算法，可以設定顏色閾值，采集病蟲害農作物圖片。OpenMV4 H7攝像頭具有舵機控制功能，可以實現上下左右180°范圍內的旋轉，實現循環多角度轉動追蹤監測病態農作物葉片，OpenMV4 H7內置的模塊對病蟲害農作物拍照存圖，通過網絡上傳到物聯網云平臺，運用專家系統進一步判別植物的病蟲害[5]。

（2）溫室大棚溫濕度是兩個重要指標，植物的生長依賴適當的溫濕度。可采用能同時監控溫度和濕度的SHT15智能傳感器，SHT15具有自行校準功能。

（3）二氧化碳與植物的光合作用有關，而且與光有特定關系。可選用T6004二氧化碳濃度傳感器，該傳感器采用紅外單波非色散理論設計，體積小結構緊湊，具有自行校準功能。采用MAX44009光照強度傳感器，測量范圍為0.045～188000流明，工作電流不足0.65μA，可提供I2C數字輸出，能于-40℃～85℃溫差范圍內運行,功耗很低[6]。

（4）土壤溫濕度是判斷土壤肥力的重要參數，土壤溫濕度對氮化速度影響極大，土壤氮化程度直接影響土壤的肥力。土壤溫濕度傳感器方面采用Sensirion的SHT21，它含一個標準能隙溫度傳感元件、一個電容式溫度傳感元器件，具有理想的運行可靠性。

（5）液晶顯示方面采用TJC8048K070_011C 型觸摸液晶屏，其主要是用來顯示智能農業溫室大棚內的各項環境參數并調節控制相關參數。顯示的環境參量有室內溫度、室內濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度、風速、雨雪等以及設定的環境參量值。在觸摸液晶屏上可以控制加濕系統、灌溉系統、植物生長燈、通風扇及窗戶的開關，以此來控制溫室大棚內的環境參數。

2.2 溫室環境控制模塊

控制模塊接收物聯網云端控制信息或大棚內手動控制指令，通過控制模塊對大棚環境進行調節，主要有升溫、排風、補光遮陽等模塊。采用8路光電耦合繼電器，該繼電器驅動能力強，性能穩定，觸發電流僅有5mA，繼電器模塊根據控制器控制指令調控溫室大棚的環境設備，主要包括加溫設備、CO2補氣機、排風設備、補光燈、遮陽網等[7]。

2.3 網絡通信模塊

我國大部分溫室大棚分布于農村或城市郊區，互聯網接入條件不夠方便，這些地區的移動網絡覆蓋范圍也不及城市區域廣泛。由于地理環境的原因，移動通信3G或4G存在網絡不穩定的情況，而GPRS網絡目前基本覆蓋了全國絕大部分地區，信號強度好，穩定通暢。溫室大棚智能網關傳輸的數據量較少，適合采用GPRS通訊方式。本系統采用A6 GPRS模塊，功耗小，提供串口轉GPRS/短信息/語音通話等信息傳輸功能，廣泛用于物聯網車載環境檢測等領域。

3 監測控制系統軟件

溫室大棚環境監測控制系統的應用程序主要包括人機交互程序、感知層數據傳輸程序、環境參數控制程序等部分。監測控制系統具有用戶權限設置、環境數據圖形化處理與分析、農作物病蟲害診斷分析和溫室大棚智能管理等功能。用戶權限設置能夠對不同的人群設定不同等級的管理權限，系統管理員擁有所有權限，而普通用戶只有基本的操作權限。物聯網平臺軟件支持農戶使用電腦和手機對大棚環境設備狀態進行實時查詢，監測控制系統軟件能夠將采集到的溫室大棚的溫度、濕度、光照等參數數據，進行圖形化數據處理并展示，數值超過設定值，用紅色顯示。具有相應權限農戶可以通過電腦或手機設定大棚環境閾值，對大棚環境調控設備進行控制，滿足農作物生長要求。

4 監測控制系統測試

監測控制系統完成后，將系統置于某農業學校實訓溫室大棚內進行測試，大棚安裝8個ZigBee終端采集節點、1個ZigBee協調器。測試方式如下: 使用電腦或手機實時查詢環境數據設備狀態，設定環境參數閾值; 發出控制指令查看控制設備運行是否正常;登錄云平臺查看數據傳輸是否正常。測試結果：溫度測試誤差±2℃，濕度誤差5%RH，光強誤差±1Lx。通過物聯網平臺下發指令，可以實現遠程自動或手動對設備進行控制。OpenMV4 H7攝像頭采集農作物圖片160幅，為農作物病蟲害診斷提供依據。

5 結論

本文設計的智慧溫室大棚監測控制系統，實現了對溫室大棚環境的全方位實時監測控制，具有現場手動控制和遠程PC或手機查詢及調控環境參數功能，能為農作物提供適合生長的環境。現場測試顯示，使用該系統后，農作物產量高、品質好、能耗少，溫室大棚經濟效益得到了提高。