基于嵌入式系統的溫室大棚管控系統設計*

朱婧瑋

（蘭州現代職業學院，甘肅 蘭州 730300）

0 引言

2020年，農業農村部、中央網信辦印發的《數字農業農村發展規劃（2019—2025年）》提出，到2025年，數字農業農村建設取得重要進展，有力支撐數字鄉村戰略實施[1]。同年，中央一號文件《中共中央 國務院關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現全面小康的意見》發布，聚焦“三農”工作[2]。“十四五”規劃指出，中國現代化離不開農業現代化。隨著我國農業科技化水平的不斷提高，農村改革力度持續加大，農業現代化加快推進。

目前，我國鄉村種植行業普遍存在信息化程度低、農業生產的硬件設施比較落后等問題，農戶對于作物種植環境控制不精準，對作物澆水、施肥、收獲等種植方式大多靠傳統經驗，數據采集不夠精確，也沒有精準的作物管理方案。此外，對突發的極端天氣、氣象災害無法及時獲取信息，應對速度慢，給農戶帶來了嚴重的經濟損失。由于沒有達到精準管控，作物的病蟲害發病率高，防治困難。

近年來，溫室大棚種植已在我國農業生產中廣泛使用，其克服了不同地理環境對農作物生長的影響。但目前大多溫室大棚的管理仍采用人工管理，存在耗費人力、管控不精準、風險無法預估等問題[3-4]。針對上述問題，筆者設計了一種適用于農業溫室大棚種植的智能化精準管理系統，實現了對農業溫室大棚的智能管控。

1 系統總體設計

該系統集移動互聯網、云計算、物聯網等技術于一體，依托農業生產現場的各種傳感節點和無線通信網絡進行環境數據采集、傳輸，采用ARM嵌入式系統對采集到的環境參數進行精準計算和處理，實現農業生產環境的智能感知、分析、預警、決策、調控。系統支持手機端和Web端用戶操作界面，系統每10 min更新采集棚內環境及棚外天氣變化參數，并將測試數據實時傳遞給農戶，農戶可以方便地通過手機App和Web頁面查看大棚實時環境數據和歷史環境數據。農戶也可在手機端和Web端對大棚現場通風、卷簾、補光等設備進行一鍵遠程控制，操作簡便。當出現極端天氣或大棚環境出現異常狀況時，系統可向用戶界面發送文字預警提示，減少災害帶來的風險。該系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

2 系統硬件設計

該系統采用STM32F103C8T6芯片作為系統主控芯片，使用交流220 V供電，內置開關電源，為傳感器、控制電路、顯示模塊、通信模塊等供電。測量電路通過溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器等采集溫室大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度等數據，經過A/D轉換后送入STM32芯片進行數據處理和計算，處理后的數據通過顯示模塊顯示，并通過GPRS通信方式使用MQTT協議與服務器進行數據通信，服務器通過上位機數據接收程序，實現數據本地化存儲。

2.1 采集模塊設計

采集模塊主要包括對溫室大棚環境溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強度的測試。空氣溫濕度采集傳感器選用AM2302，采用電容式濕敏元件、標準數字單總線輸出，采用高精度NTC。土壤溫濕度采集選用建大仁科土壤墑情監測專用傳感器，電導率監測數據可通過RS485轉USB模板上傳到上位機軟件，實現實時監控。光照強度數據采集采用磁吸式光照傳感器，亮度變送器通過RS485通信，串行Modbus-RTU，四線結構，電源線（紅）、信號地（黑）、RS485-A（黃）、RS485-B（綠）通信信號。CO2數據采集選用M702A-485檢測模塊，用RS485總線通信，采用485通信協議，使用問答方式傳輸監測數據，四線結構，電源5 V，電源地，N/A懸空，TXD數據輸出。

2.2 主控模塊設計

該系統采用嵌入式實時操作系統（RTOS），主控芯片采用STM32F103C8T6，可以合理、有效地利用CPU的資源，簡化應用軟件的設計，縮短系統開發時間，更好地保證系統的實時性和可靠性[5-6]。選用FreeRTOS迷你實時操作系統內核，功能包括任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理、記錄功能、軟件定時器、協程等。溫室智能控制機主控模塊內部電路示意圖如圖2所示。

圖2 主控模塊內部電路示意圖

2.3 輸出模塊設計

該系統輸出外設包括卷簾電機、通風電機、補光燈、噴淋設備等，分別設置卷簾開、卷簾關、卷簾停等功能。同時，系統還安裝了卷簾上、下限位器，保障卷簾在開啟和關閉過程中，當卷簾到達上、下極限位置時，機械停止。大棚內設計兩臺通風電機，分別設置通風電機啟動、停止控制。補光設備由主控芯片發出控制信號，控制啟停。

3 系統軟件設計

該系統軟件整體設計采用C語言，在Keil5.0開發環境下進行設計，根據模塊化、接口化的原則，按照軟件功能對復雜的軟件代碼分模塊進行編寫[7]。系統將傳感器采集到的數據，經過A/D轉換送入系統控制芯片，用STM32芯片對數據進行處理、計算，再通過液晶屏顯示，同時使用有線網絡及GPRS無線通信將數據發送到上位機。系統主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

4 系統上位機開發

4.1 開發環境

該系統上位機通過“Springboot+Vue”進行開發實現，主要針對農業溫室智能設備的遠程控制、數據查詢、數據統計分析、設備管理、預警信息查看及設備運行情況監控等進行研發，以實現溫室大棚卷簾機、通風機的智能化控制、歷史數據查看、農事記錄以及考勤管理等功能[8]，該系統支持PC端和手機端（Android）匹配使用。

Web端使用vue、layui、jquery、echarts等前端頁面框架，使用vscode開發工具進行前端開發；服務端使用Spingboot+Mybatis-Plus開發數據接口及數據持久化層，數據庫使用SQL Server 2012；移動端使用原生Java進行應用App的開發，頁面布局中使用SVG點九圖的方式以更好地適配各種機型，手機端集成MQTTSDK實現對智能設備的遠程控制，集成螢石云SDK實現監控畫面的接入，手機端數據接口使用.Net平臺C#語言進行開發。

4.2 技術架構

該系統運用物聯網技術，通過互聯網實現溫室大棚卷簾及通風等裝置的自動化控制，利用網絡和數據庫對溫室環境小氣候的數據進行采集和存儲，便于農業從業人員查看歷史數據并制定溫室大棚種植精準管控方案。系統技術架構圖如圖4所示。

圖4 系統技術架構圖

4.3 運行環境

該系統支持用戶手機移動端Android 6.0及以上版本操作，Web端須安裝有Windows 7及以上版本的操作系統，且安裝有瀏覽器。

4.4 手機端應用

手機App中有點擊進入設備，設備詳情界面包含溫室大棚六要素的實時數據，可以隨時查看。數據庫管理服務以SQL Server 2012為載體，并存儲GPRS無線通信模塊上傳的大棚環境數據和圖像數據。為了方便查閱和調用，在數據庫中創建多個表，以保證數據庫運行流暢。對查詢效率進行優化處理，在采集數據表Data中建立索引，并定期將數據以二進制封存，減少數據庫壓力，提高查詢速度。手機端可對大棚卷簾、通風設備進行遠程控制，對設備的溫室名稱、設備自動控制、預警界限等進行配置；可以查詢設備歷史操作記錄，查看設備運行情況；可通過溫室中安裝的網絡攝像頭，看到溫室環境監控畫面，農戶可直觀地看到遠程操作卷簾和通風設備的情況以及溫室作物的生長情況，做到足不出戶的智能化管理。

4.5 Web端應用

該系統的Web端溫室管理平臺可對多個大棚同時進行管理，可查詢溫室內的實時數據、歷史數據和操作記錄等。監控系統的界面設計體現交互性、友好性和靈活性，系統的主界面可查詢大棚內的終端節點采集的所有數據和圖像。環境調控設備按鈕，可手動開啟或關閉當前大棚的外部設備。該系統設計了用戶管理功能，用戶注冊后可以使用，管理人員可為用戶設置一定的權限，防止數據被盜竊、篡改等安全問題出現，系統節點管理功能也支持單獨查看某一個節點的實時數據和歷史數據。系統提供以曲線的方式查看數據，大數據展示模塊每隔10 min刷新一次數據，可以直觀地在一個頁面中看到溫室環境數據，棚內外的實時監控情況等。

該系統設計了大棚環境數據超限預警功能和氣象預警功能。當溫室大棚的溫度、濕度等環境參數超過環境預設值時，系統將在手機App端和Web頁面以彈窗的方式做出預警提示，同時對卷簾機、通風設備、加熱設備等進行自動控制，幫助農戶及時發現大棚環境變化，科學精準管理大棚環境。當天氣突發異常時，系統通過嵌入的氣象預報功能，及時向農戶做出氣象預警，幫助農戶及時發現異常，對大棚進行保護性操作管理。

5 結論

本系統以STM32嵌入式芯片為核心設計終端節點和硬件電路，終端節點電路主要包括STM32F103最小系統、傳感器電路、電源電路、RS485通信電路、繼電器執行電路等，通過軟件程序實現了對大棚環境的分布式精準控制。同時，系統還引入了移動互聯網技術以及GPRS無線通信技術，通過上位機實現了對棚內環境的智能遠程監控。

系統將農業與物聯網技術結合，構建了“互聯網+智慧設施”的農業大棚，其具備如下優點：1）農戶可根據農作物不同種植時期對環境的要求去設定大棚溫濕度，分段控溫、控濕，精確控制棚內環境，使作物不受外界環境影響，增加作物產量。2）自動卷簾溫度控制技術和自動放風溫控技術可減少卷放簾時間，自動調控大棚溫濕度，增加大棚光照時間，提高出苗量，減少病蟲害的發生，節約用藥量。3）天氣預警提醒功能可以及時預防惡劣天氣，降低生產風險。4）主控制箱可以實現多個大棚集中控制，包括溫度、放風、卷簾、灌溉、補光等，節約了人力，提高了工作效率，并切實改善了農村勞動力缺乏的現狀。

總之，基于嵌入式系統的智能農業溫室大棚管控系統可調控溫室農作物生長環境，減少種植的人力成本，降低生產風險，尤其能夠提高溫室種植大戶及育苗大戶的人力資源管理水平，推進實施鄉村振興戰略，助力農業農村現代化[9-10]。堅持因地制宜，遵循農業現代化發展規律，分步驟推進農業農村現代化進程，深入開展鄉村振興科技支撐，為我國農業現代化可持續發展提供一定的參考和經驗。