智能溫室大棚數據采集系統的設計

鄭志偉，郭迎九，陳元慶，周 波，劉亞軍

（北京城市學院 信息學部，北京 101300）

0 引 言

隨著我國農業的快速發展，傳統的農業種植已經難以滿足現實的需要，農業現代化得到了大范圍推廣，溫室大棚種植已成為新型農業的一個重要組成部分[1-2]。農作物的生長離不開穩定的溫室大棚環境，因此需要設計一個能夠實時監測溫室大棚內環境參數的數據采集系統。本文提出一種智能溫室大棚數據采集系統，能夠實時監測空氣溫濕度、土壤溫濕度、紫外線強度、CO2濃度數據，且成本低、功耗小，能夠及時反映溫室大棚內的實際環境情況，并結合實際情況對溫室大棚進行施肥、升溫、澆水等操作，保持棚內環境，保證農作物在適宜的環境下生長，使溫室大棚能夠種植出高質量、高產量的綠色蔬菜，提高生產率。

1 硬件電路設計

1.1 系統結構

智能溫室大棚的技術架構共分為七層，分別為感知層、傳輸層、接入層、匯聚交換層、應用層、管理服務層以及用戶應用層。感知層為檢測大棚參數的各種傳感器，傳輸層分為接入層和匯聚交換層[3-6]。接入層為可接入無線局域網終端，由接入層與感知層構成了本項目感知網絡的基本單元；匯聚交換層負責將接入層終端傳輸信息進行數據分組匯聚、轉發、暫時存儲與交換，并與云端進行數據傳輸。應用層分為管理服務層和用戶應用層。管理服務層負責通過軟件實現感知硬件與應用軟件之間的無縫連接，以便進行大量數據的高效匯聚、存儲；通過數據挖掘、智能數據處理計算等，為用戶應用層提供安全的實時遠程管理和智能服務，主要通過大量數據存儲和云計算平臺支持。用戶應用層是面向用戶的智能控制端，通過可視化頁面為用戶提供簡單方便的遠程管理和智能服務。

1.2 硬件電路設計

采用STM32F407單片機結合DS18B20數字溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、GUVA-S12SA紫外線傳感器，實時監測溫室大棚內的環境數據。硬件電路的結構如圖1所示。

圖1 硬件電路結構

1.2.1 數據采集系統的電路設計

數據采集系統主要采集溫濕度以及紫外線強度的數據。DS18B20是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡單的數字化溫度傳感器，負責空氣溫度的采集。DHT11是一種數字信號輸出的溫濕度傳感器，它能夠確保傳感器擁有良好的穩定性和較高的可靠性，負責空氣濕度的采集。GUVA-S12SA有特定的光譜響應，特別適合UVI的檢測，具有良好的可見盲、光伏模式操作、高響應、低暗電流等特性，負責光照強度的采集。數據采集系統電路如圖2所示。

圖2 數據采集系統電路

1.2.2 數據采集平臺的電路設計

傳感器數據采集平臺的主要裝置是數據采集盒，如圖3所示。采集盒上有固定條，將固定條固定到大棚附近有電源的采集點。采集盒右側是電源和開關，電源采用12 V直流電源，左側是傳感器引線，一般情況下不要人為接觸，防止干擾傳感器測量；右側的傳感器引線分別接空氣溫濕度傳感器、紫外線傳感器。數據采集盒可以對大棚內空氣溫度和濕度、土壤溫濕度、紫外線光照強度（0～15級）等進行測量。

圖3 數據采集盒

2 軟件設計

2.1 數據查看

數據的查看可以通過直接查看、小程序查看、云平臺查看的方式實現，以此獲得傳感器檢測數據。

直接查看：數據采集盒都配置有數據顯示屏，可以直接查看傳感器數值。

小程序查看：通過掃描小程序二維碼直接查看，結果如圖4所示。

圖4 小程序查看結果

云平臺查看：通過在網頁輸入URL地址查看，結果如圖5所示。

圖5 云平臺查看結果

2.2 監管云平臺

平臺可以實時采集大棚內的空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強度等環境參數，并根據農作物的生長需要進行智能預警[7]。該系統能夠根據傳感器獲取的各項信息以及用戶錄入的化肥、人工等數據進行智能化分析，通過可視化統計圖的形式展示給用戶，并能進行產品溯源和監管。

種植大棚管理：可以對每個大棚的詳細信息進行編輯和修改，包括大棚的名稱、所屬單位、面積、地理位置、實景圖片、信息簡介、傳感器種類和數量、種植作物等信息。

種植產品管理：可以對大棚中種植產品進行管理，包括產品的查詢、新增、刪除、詳細信息編輯等功能。

投入品使用記錄：對大棚生產過程中的各種投入品的數量及成本進行記錄，例如水、電、化肥、人工等。

采收管理：可以對產品收獲后的產出信息、采收狀況、裝箱狀況進行記錄和編輯。

生長過程記錄：可以對種植產品在生長周期中各個環節的狀況進行記錄和編輯。

追溯二維碼管理：可以為最終的產品按包裝單位生產唯一的溯源二維碼，當用戶通過手機掃描到二維碼時可以追溯該產品的產地、生產日期、基本信息及從種植到成熟過程中的狀態信息。

每日數據監測及監控：可以按日查看大棚的詳細信息，包括土壤溫濕度、電導率、空氣溫濕度、光照及二氧化碳濃度等，以便更好地指導生產，可以監控整個生產過程。

3 調 試

3.1 前期數據采集實物及信息顯示

以單片機STM32F407為主控，得到各個傳感器采集出來的數據，通過上位機將數據輸出在LCD屏幕上，每100 ms更新一次數據，以此來實時顯示最新的數據，并將數據上傳到云平臺，方便農戶隨時隨地監測大棚內的環境數據。前期調試結果如圖6所示，其中的LCD屏幕能夠顯示溫濕度、光照強度等環境數據，并且這些數據會通過WiFi上傳到云端。

圖6 前期數據采集設備實物及信息顯示

3.2 運行測試

把圖6所示的硬件全部安裝到數據采集盒中，然后將成品安放在大棚內，安裝結果如圖7所示，隨后插上電源，啟動運行。

圖7 成品落地安裝

當大棚內環境發生變化時，整個系統能夠檢測到環境數據發生變化，其執行工作情況見表1所列。由表1可知，該系統成功地將大棚環境數據檢測出來并上傳到云端，實現了預期功能。

表1 大棚環境數據

4 結 語

本文通過開發溫室大棚智能化數據采集終端，提高了溫室大棚的智能化水平，降低了生產成本，提高了生產效率[8-10]。具體方法是對農業大棚進行智能化改造升級，制定智能化管理方案；流程是將智能大棚有關傳感器裝置裝配在大棚中，實時采集數據，并將數據上傳至智能控制中心，對采集到的數據進行具體分析，提升智能化管理。項目中使用的傳感器主要包括紫外照射傳感器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器等，通過多種傳感器采集大棚中的溫度、濕度、氣體濃度、土壤情況等環境數據，對這些數據進行具體分析后，進行相應處理，如澆水、施肥等。通過測試證明系統達到了智能化、低成本、高效率的設計目標，為進一步推進智慧農業落地提供了可能。