基于物聯(lián)網的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)設計*

陳昊晟

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

我國農業(yè)正逐步從傳統(tǒng)農業(yè)向數(shù)字農業(yè)、智慧農業(yè)邁進[1]，加快突破農業(yè)關鍵核心技術，扎實推進農業(yè)現(xiàn)代化，是智慧農業(yè)發(fā)展的關鍵[2]。農業(yè)溫室大棚智能化監(jiān)控是實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑，而現(xiàn)行的大部分溫室大棚管理理念落后，行業(yè)發(fā)展水平低，缺乏一套完善、規(guī)范的生產管理體系，農業(yè)設施化水平低導致資源利用率低。在農業(yè)生產過程中，對氣溫、光照、土壤含水量等指標難以科學監(jiān)測和分析，不能準確把控作物生長過程中各種養(yǎng)料的施加量，影響了農業(yè)種植效益。基于此，筆者設計了一種基于物聯(lián)網的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，與系列傳感器連接，實時監(jiān)測溫室大棚內各環(huán)境參數(shù)，及時調整大棚內環(huán)境參數(shù)以達到設定標準，實現(xiàn)調節(jié)生長周期、提質增產目的[3]。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用STM32F103C 處理器作為控制單元，利用各種傳感器來采集大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等大棚環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分為自動控制和手動控制兩種工作模式，自動工作模式是指控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)值與提前設置好的閾值范圍相比對，如果采集的數(shù)據(jù)值超出設置范圍，將自動控制執(zhí)行設備以調節(jié)溫室大棚環(huán)境參數(shù)，無需人工操作；手動控制模式是指用戶根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行判斷，手動發(fā)出指令來控制執(zhí)行設備執(zhí)行一定動作。

基于物聯(lián)網技術框架的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層三層結構組成[4]，整體系統(tǒng)設計架構圖如圖1 所示。感知層是整個系統(tǒng)的基礎，主要功能是利用傳感器來獲取農作物生長環(huán)境情況，完成對溫室大棚環(huán)境內各項數(shù)據(jù)的采集[5]；傳輸層則將感知層采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給應用層，并將上層發(fā)送的控制指令送達感知層；應用層是整個系統(tǒng)最重要的部分，它處理接收到的傳感器數(shù)據(jù)，并將處理結果上傳OneNET 云端，使用戶能在移動終端或網頁上訪問云平臺，遠程監(jiān)測大棚內的作物環(huán)境情況與控制大棚系統(tǒng)設備。

圖1 系統(tǒng)總體設計架構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊、執(zhí)行設備模塊、電源模塊組成，系統(tǒng)硬件組成圖如圖2 所示。先通過傳感器完成對大棚各項環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，再經A/D 轉換將模擬量轉換為數(shù)字量；STM32F103C單片機是系統(tǒng)的核心，為系統(tǒng)功能的完善與開發(fā)提供了強大支撐；然后借助ESP8266 WiFi設備模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下達；電源模塊為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可靠運行。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在農作物的生長過程中，空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強度是影響其長勢的重要環(huán)境因素[6]，獲得這些環(huán)境參數(shù)并加以適當調節(jié)有利于農作物的良好生長。而大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集需要依賴相應傳感器來實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用DHT11 傳感器采集空氣溫濕度數(shù)據(jù)，選用YL-69 傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)，選用MH-Z14A 二氧化碳傳感器采集空氣中的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，選用BH1750FVI 光學傳感器采集光照強度數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

WiFi 數(shù)據(jù)傳輸模塊以ESP8266 為核心芯片，ESP8266 的尺寸為16 mm*24 mm*3 mm，模塊采用3DBi 的PCB 板載天線。ESP8266 具備無線上網功能，可以通過配置與單片機上的UART 串口進行通信，為網絡覆蓋提供了可能，且集成化的芯片提高了處理速度[7]。該WiFi 模塊主要是將傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，并將采集到的信息經過處理上傳到OneNET平臺。

2.3 控制模塊

控制模塊是系統(tǒng)的核心，負責數(shù)據(jù)分析和控制各個模塊。系統(tǒng)采用STM32F103C 單片機，使用的是STM32 單片機的最小系統(tǒng)，在其使用過程中不用搭載其他電路，焊接電路時可直接進行連接。STM32F103系列單片機為Cortex-M3 內核，具有多個外設接口，包括GPIO 口、A/D 轉換、串口通信、DMA 等，單片機上資源十分豐富，穩(wěn)定性好[8]。

2.4 執(zhí)行設備模塊

系統(tǒng)執(zhí)行設備包括加熱器、加濕器、卷簾等。控制模塊通過分析傳感器模塊獲得的數(shù)據(jù)，發(fā)出加熱、加濕、補光等電信號，WiFi 模塊傳輸信號使繼電器動作，通過繼電器對各執(zhí)行設備進行控制，營造出適宜農作物生長的溫室大棚生產條件。繼電器是一種電控裝置，其通常作為控制元件，有擴大控制范圍的效果[9]，繼電器可根據(jù)信號控制執(zhí)行設備的開關狀態(tài)，進而實現(xiàn)農業(yè)的自動化作業(yè)。

2.5 電源模塊

系統(tǒng)設計的電源供電分為5 V供電和3.3 V供電，數(shù)據(jù)采集模塊、直流電機等輸入電壓是5 V。經過LD1117芯片后，將電壓降為3.3 V，此電壓可以供控制電路MCU使用，在使用上采用太陽能光伏板供電。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)根據(jù)所需功能以及采用的STM32F103C微控制器進行了軟件設計，在Keil 編程軟件里利用C 語言完成對程序的編寫。主程序主要從數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)傳輸程序和控制執(zhí)行程序三個部分展開設計，系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖3 所示。先對系統(tǒng)進行初始化，發(fā)送初始信號，各傳感器模塊收到信號后給予響應，開啟工作模式，逐步采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息。單片機模塊通過無線通信模塊串口與云平臺通信，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將會在設計好的監(jiān)控界面得以展示，同時用戶可點擊相關操控按鍵發(fā)送控制指令至服務器，服務器接受指令下達給執(zhí)行設備，然后將執(zhí)行結果返回客戶端。

圖3 系統(tǒng)軟件設計流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集

各傳感器采集溫室內環(huán)境參數(shù)時，先上電初始化，等待來自控制器的請求數(shù)據(jù)信號，收到請求信號后將采集的數(shù)據(jù)由模擬信號轉換成數(shù)字信號，并通過串口發(fā)送至控制器，然后開始等待下次采集。環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4 所示。

圖4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

單片機通過UART串口向ESP8266模塊發(fā)送AT指令配置進行通信，系統(tǒng)成功加入無線通信網絡后，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將傳感器采集信息，設備工作狀態(tài)信息經過處理以數(shù)據(jù)報文的形式傳送至云平臺，云平臺也可以反向發(fā)送指令數(shù)據(jù)給單片機執(zhí)行一些控制操作[10]。

3.3 控制執(zhí)行

傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息經處理與設置閾值進行比較，根據(jù)比較結果執(zhí)行機械動作，使溫室環(huán)境參數(shù)時刻保持在設定范圍內。用戶也可根據(jù)監(jiān)控情況遠程發(fā)送指令來控制繼電器，進而控制現(xiàn)場設備。執(zhí)行設備的具體工作流程圖如圖5 所示。

圖5 執(zhí)行設備控制流程圖

4 云平臺的搭建

本農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)選用的終端應用平臺是OneNET平臺。OneNET是中國移動為廣大開發(fā)者打造的免費物聯(lián)網云服務平臺，能快速接入傳感器等設備和接收、儲存采集數(shù)據(jù)。農業(yè)管理工作人員可以隨時在移動終端查看作物相關數(shù)據(jù)信息。用戶按照系統(tǒng)提示進行操作即可將終端設備接入OneNET 云平臺。本系統(tǒng)添加產品時聯(lián)網方式選擇WiFi，設備接入?yún)f(xié)議選擇MQTT。OneNET平臺接入設備流程如圖6所示。

圖6 OneNET 平臺接入設備流程

5 結語

本研究結合物聯(lián)網技術、無線通信技術、自動控制技術設計了一套智慧農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，較好地彌補了傳統(tǒng)溫室大棚調控不及時、監(jiān)測環(huán)境參數(shù)單一等缺點，系統(tǒng)利用硬件設備和軟件設計相結合，實時監(jiān)測大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數(shù)據(jù)，進行環(huán)境參數(shù)的自動調節(jié)，可以對溫室大棚環(huán)境進行精準調控；同時用戶能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對作物的生長環(huán)境進行調整，實現(xiàn)農作物的精細化管理，降低種植成本，增加農戶收益。該系統(tǒng)能有效提高農業(yè)生產效率，為服務農業(yè)生產提供更多選擇，具有良好的應用價值與發(fā)展前景。