物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計

王成旭，陳燕慧

（臨沂大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

0 引 言

在人口增加、人均耕地下降、農(nóng)田受污染和氣候變遷等大背景下，為滿足未來龐大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，智慧農(nóng)耕應(yīng)運而生，其依據(jù)時刻變化的數(shù)據(jù)，來分析、計算、判斷并執(zhí)行最好的種植方案。

實現(xiàn)“零饑餓”是聯(lián)合國列入2030可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)之一。隨著自然環(huán)境的變化、城市化進程加速，農(nóng)業(yè)從事者長期流失，人均耕地面積減少，土壤農(nóng)藥污染嚴(yán)重等，僅依賴現(xiàn)有自然條件以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，很難支撐2030目標(biāo)達成。科技為農(nóng)業(yè)賦能，幫助突破種植條件限制，全面提升糧食產(chǎn)量。一片田中兩塊土地，土壤水分含量、營養(yǎng)情況、農(nóng)作物生長情況都可能不同，而傳感器和移動設(shè)備等可實現(xiàn)遠程管理農(nóng)場，同時做到實時監(jiān)測土壤濕度、環(huán)境溫度、作物狀況，獲得精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在肥力高的地方進行密集種植，反之則稀疏種植，播種、給水、施肥、調(diào)種等一系列農(nóng)藝措施都可基于多元數(shù)據(jù)進行靈活調(diào)整，讓土壤和作物處于最佳匹配狀態(tài)。精準(zhǔn)農(nóng)耕的前提，是對所收集數(shù)據(jù)深入分析，形成農(nóng)情多元數(shù)據(jù)圖譜。基于云服務(wù)的農(nóng)情圖譜可以幫助農(nóng)民迅速得到農(nóng)作物在不同關(guān)鍵生長階段所需的土壤灌溉、肥力需求；還可結(jié)合地形特征、氣候預(yù)期、病蟲害程度等信息進行產(chǎn)量預(yù)估、農(nóng)作活動安排、預(yù)算管理等。多元數(shù)據(jù)圖譜對農(nóng)田的狀態(tài)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程提供多維度實時監(jiān)測與分析，在多變環(huán)境中做出敏捷而高效的預(yù)警，及時給予多種應(yīng)對措施的建議、快速鎖定損失區(qū)域并估算后期產(chǎn)量。從而降低突變環(huán)境因素對產(chǎn)量的影響，幫助農(nóng)民及時止損。

通過ESP-8266WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)云平臺，將多項傳感器接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，自動控制外接負(fù)載狀態(tài)，精準(zhǔn)控制農(nóng)作物的生長環(huán)境保持最佳條件，可達到提高作物產(chǎn)量的效果。采用二氧化碳濃度檢測轉(zhuǎn)化碳貨幣，助力實現(xiàn)碳中和，釋放傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟潛能。

智慧農(nóng)耕還具有根據(jù)周圍生產(chǎn)環(huán)境的含碳情況進行準(zhǔn)確監(jiān)測的能力，幫助調(diào)節(jié)與維持環(huán)境碳平衡，推進碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。貨幣，往往伴隨著該國成為國際貿(mào)易中心和金融中心的過程。其中，特別值得強調(diào)的是，在貿(mào)易活動和金融實踐中，經(jīng)濟活動與能源貿(mào)易的結(jié)合度是決定該國貨幣地位的重要因素，能源綁定往往成為國家崛起和本國貨幣充當(dāng)國際貨幣的助推劑。而碳貨幣正符合當(dāng)下潮流。通過監(jiān)測碳含量、達標(biāo)時間，經(jīng)過一定算法轉(zhuǎn)化為碳貨幣，可兌換成人民幣。與貨幣相聯(lián)系有利于市場的開發(fā)推動，促進碳中和事業(yè)的發(fā)展。

1 智慧農(nóng)業(yè)控制的特點

本作品采用SEP-8266WiFi模塊做主控芯片，通過編譯相應(yīng)控制程序，利用Wi-Fi通信功能聯(lián)網(wǎng)到云服務(wù)器，傳感器設(shè)備實時上傳數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)手機應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)控制，利用RGB-LED燈環(huán)智能調(diào)節(jié)作物生長的最適光譜、光照強度，提高作物產(chǎn)量；利用手機遠程控制，實現(xiàn)驅(qū)動外部負(fù)載，控制風(fēng)扇智能降溫、通風(fēng)換氣，實現(xiàn)智能控溫功能；通過反季水果種植，提升市場競爭力和提升商業(yè)價值；利用傳感器實時檢測，采集土壤濕度信息，并上傳到云平臺；利用傳感器實時檢測，繼電器控制水泵，自動添加營養(yǎng)液，實現(xiàn)自動灌溉功能；檢測土壤pH酸堿度，調(diào)節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境，提高產(chǎn)能；二氧化碳傳感器實時采集監(jiān)控二氧化碳濃度信息，計算碳減量，換算碳貨幣，助力實現(xiàn)碳中和；太陽能發(fā)電板供電，為控制系統(tǒng)提供能原動力。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。該智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計由太陽能發(fā)電板供電，為控制系統(tǒng)提供能原動力。控制模塊以ESP-8266WiFi模塊為主控元件，外圍模塊主要由土壤濕度傳感器模塊、土壤pH酸堿度分析計、溫濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、外接負(fù)載、自動灌溉水泵、燈光控制電路等組成，ESP-8266WiFi模塊進行土壤濕度、土壤pH酸堿度、環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集，聯(lián)網(wǎng)后將傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，傳輸?shù)绞謾C軟件實時顯示，并驅(qū)動外接負(fù)載模塊，實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的智能化控制。

圖1 系統(tǒng)硬件電路組成框圖

系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。該電路圖由MCU主控電路、LED彩燈照明電路、土壤檢測模塊、溫濕度采集模塊、二氧化碳檢測模塊、繼電器控制電路和繼電器模塊、OLED顯示屏、電源電路、下載電路、蜂鳴器模塊組成。主控MCU選擇了安信可科技提供的ESP8266-12模塊，有多路GPIO引腳做數(shù)據(jù)傳輸使用，LED照明電路由WS2812B智能燈珠排列的點陣組成，智能控制顏色和亮度，土壤檢測模塊封裝數(shù)據(jù)接口，可外接土壤水分傳感器（RS-SD-I20-TR）、pH酸堿度傳感器進行信息采集。溫濕度采集模塊由DHT11溫濕度傳感器構(gòu)成，二氧化碳檢測由MH-Z19B模塊組成，繼電器控制電路和繼電器模塊由5 V繼電器SRD-05VDCSL-C組成，屏幕采用0.96寸IIC 4路OLED顯示屏，電源電路采用USB3.1 type-c接口，下載電路、蜂鳴器電路使用傳統(tǒng)接線方式，輔助下載程序，發(fā)出警報，達到預(yù)期效果。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.1 控制系統(tǒng)控制器

控制器采用的是ESP8266WiFi模塊，ESP8266是上海樂鑫信息科技設(shè)計的低功耗Wi-Fi芯片，集成完整的TCP/IP協(xié)議棧和MCU。ESP8266模塊是深圳安信可公司基于ESP8266芯片研發(fā)的串口Wi-Fi模塊，有低成本、易操作、功能強大等特點。ESP8266硬件接口豐富，支持IIC、UART、PWM、ADC、GPIO等，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合。可通過Arduino編程開發(fā)，編制相應(yīng)的控制程序，驅(qū)動外界負(fù)載。接收多項傳感器采集信號，發(fā)送到云平臺，連接到手機軟件做控制器。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集電路由土壤濕度傳感器模塊、土壤pH酸堿度分析計、溫濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊組成。多項傳感器將所測數(shù)據(jù)通過ESP-8266WiFi發(fā)送阿里云平臺，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供安全、穩(wěn)定、高效的設(shè)備通信能力，具有低成本、高可靠、高安全、高性能等優(yōu)勢，支持設(shè)備數(shù)據(jù)采集后上傳云服務(wù)器，規(guī)則引擎流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和云端數(shù)據(jù)下發(fā)設(shè)備端。提供方便快捷的設(shè)備管理能力，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲和遠程調(diào)試、監(jiān)控、運維。無須自建物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施即可接入各種主流協(xié)議設(shè)備。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)手機應(yīng)用實時顯示土壤濕度、酸堿度，環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)等狀態(tài)信息。

2.3 數(shù)據(jù)輸出電路

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)輸出電路由水泵、外接負(fù)載模塊、燈光控制模塊、信息顯示屏組成；繼電器控制水泵，可自動添加營養(yǎng)液，實現(xiàn)自動灌溉功能；利用手機遠程控制，實現(xiàn)驅(qū)動外部負(fù)載，控制風(fēng)扇智能降溫、通風(fēng)換氣，實現(xiàn)智能控溫功能，實現(xiàn)反季水果種植，提升市場競爭力，提升商業(yè)價值；利用RGB-LED燈環(huán)智能調(diào)節(jié)作物生長的最適光譜、光照強度；檢測土壤pH酸堿度，調(diào)節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境，提高產(chǎn)能；二氧化碳傳感器實時監(jiān)控、采集二氧化碳濃度信息，將信息發(fā)送到顯示屏，計算碳減量，換算碳貨幣，助力實現(xiàn)碳中和。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖3所示。接通電源，ESP8266模塊自動Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)，利用Wi-Fi通信功能聯(lián)網(wǎng)到云服務(wù)器，通過手機應(yīng)用實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制，傳感器設(shè)備實時上傳數(shù)據(jù)信息。通過點燈科技APP搭建相應(yīng)的軟件功能模塊，實現(xiàn)手機應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)控制，利用RGB-LED燈環(huán)智能調(diào)節(jié)作物生長的合適光譜、光照強度，控制風(fēng)扇智能降溫、通風(fēng)換氣，實現(xiàn)智能控溫功能，增加農(nóng)作物品類，利用傳感器實時檢測、采集土壤濕度信息，上傳到阿里云平臺；智能控制繼電器開關(guān)水泵，實現(xiàn)自動灌溉功能；檢測土壤pH酸堿度，調(diào)節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境；二氧化碳傳感器實時采集監(jiān)控二氧化碳濃度信息。

圖3 ESP-8266主程序流程圖

4 結(jié) 論

本文研究的物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)設(shè)計，利用ESP-8266WiFi模塊與多項傳感器結(jié)合實現(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng)功能。采集土壤濕度、酸堿度信息，通過算法自動控制灌溉水泵添加營養(yǎng)液；采集環(huán)境溫濕度信息，驅(qū)動外接負(fù)載智能控溫；精準(zhǔn)控制農(nóng)作物的土壤pH酸堿度、土壤水分、溫度、光照強度、最適光譜等，使作物生長環(huán)境保持最佳條件，達到提高作物產(chǎn)量的效果。通過二氧化碳濃度檢測，計算單位時間的碳減量，換算碳貨幣，釋放傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟潛能，助力實現(xiàn)碳中和。