一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚控制系統(tǒng)

胡俊杰　徐茵　王新懷等

關(guān)鍵詞：低功耗；物聯(lián)網(wǎng)；智慧大棚；遠(yuǎn)程升級

與世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比，中國的農(nóng)業(yè)科技水平較低，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)人口比例極大的情況下，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值不高。作為一個以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的國家，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡單的機(jī)械設(shè)備，農(nóng)民基本憑經(jīng)驗(yàn)種植，導(dǎo)致用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源、農(nóng)藥、化肥等都在飛速增長，但農(nóng)業(yè)產(chǎn)量依然較低。

本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，針對溫室大棚作物的生長過程，實(shí)現(xiàn)各類環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和相關(guān)生產(chǎn)流程的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的增收。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)整體可分為4 部分：①是以STM32L010 芯片為核心的主控系統(tǒng)；②包括溫濕度傳感器HDC1080、光照傳感器OPT3001、監(jiān)控?cái)z像頭等監(jiān)測設(shè)備和繼電器、電磁閥等控制設(shè)備；③是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。④是數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，包括手機(jī)APP、大屏終端和服務(wù)器。整體系統(tǒng)框架如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)工作過程

采集節(jié)點(diǎn)每5 min 喚醒1 次，讀取傳感器數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)正常則將數(shù)據(jù)存儲在flash中，讓節(jié)點(diǎn)掉電，進(jìn)入低功耗模式并等待定時喚醒；若數(shù)據(jù)超過報(bào)警上下限則將flash中數(shù)據(jù)通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器。服務(wù)器通過MQTT 協(xié)議廣播數(shù)據(jù)，用戶在手機(jī)APP 或者大屏終端上獲取大棚環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)異常時會自動下發(fā)控制命令。控制節(jié)點(diǎn)收到后控制水閥和風(fēng)機(jī)的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的調(diào)整，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節(jié)點(diǎn)

MCU 采用STM32L010K8T6， 待機(jī)模式下電流0.23 uA， 內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、通用定時器（GPTIM）等外設(shè)。

定時器模塊采用時基芯片TPL5110DDC+ 模擬開關(guān)TS5A3160DBV。通過外圍電阻選擇定時時間為5 min，若MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)正常，則寫入fl ash 并發(fā)送高電平控制模擬開關(guān)關(guān)斷電源。若MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)異常，則將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，當(dāng)收到掉電命令后，再控制模擬開關(guān)關(guān)斷電源。

2.1.2 溫濕度傳感器

本文采用低功耗的數(shù)字溫濕度傳感器HDC1080，該傳感器通過I2C 總線與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能以超低功耗提供出色的測量精度。依照芯片對應(yīng)的通信時序圖，編寫了基于I2C 通信協(xié)議的使用程序。

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊

采用中移的物聯(lián)網(wǎng)模塊M5311，與MCU 之間通過串口傳輸數(shù)據(jù)。由于M5311 串口的高電平為1.8 V，MCU 串口的高電平為3.3 V，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。M5311 通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)登錄OneNet 云平臺后，會將MCU 的數(shù)據(jù)通過MQTT 協(xié)議透傳到云平臺上。

2.1.4 控制節(jié)點(diǎn)

通過220 V 市電轉(zhuǎn)換為5 V，然后穩(wěn)壓到3.3 V 給節(jié)點(diǎn)供電。控制節(jié)點(diǎn)上電初始化后連接OneNet 云平臺，每10 s 上報(bào)一條報(bào)文作為心跳幀，保持與云平臺的連接。若收到控制命令，則通過繼電器和電磁閥控制水閥和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整大棚的環(huán)境參數(shù)。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機(jī)APP

手機(jī)APP 通過Android Studio 平臺使用JAVA 語言進(jìn)行編程，APP 采用兩級大棚分區(qū)策略，操作管理更加方便。主界面是整個棚區(qū)的衛(wèi)星地圖，進(jìn)入每個大棚后，顯示了環(huán)境參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線。此外，還添加控制命令和攝像頭功能，可以實(shí)時看到作物的生長狀況，如圖3 所示。

2.2.2 大屏終端

大屏終端界面包括實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線變化、報(bào)警信息、在線設(shè)備統(tǒng)計(jì)和控制狀態(tài)顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數(shù)據(jù)超過報(bào)警上下限，則在報(bào)警信息處顯示節(jié)點(diǎn)號、時間和異常值，便于用戶及時了解并做出響應(yīng)。

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通過Keil平臺使用C 語言進(jìn)行編程，主要包括系統(tǒng)初始化、采集傳感器數(shù)據(jù)、上傳至OneNet 云平臺、接收升級文件等。工作流程如圖5 所示。

2.2.4 遠(yuǎn)程升級

工業(yè)4.0 時代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，信息技術(shù)是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的重要因素。嵌入式設(shè)備高度集成，功率較小，功能可裁剪，通信功能強(qiáng)大，便于與其它設(shè)備結(jié)合，因此在新型農(nóng)業(yè)設(shè)備上應(yīng)用極廣。傳統(tǒng)使用燒錄器對嵌入式設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場下載程序的方式已遠(yuǎn)不能滿足軟件升級對高頻次，便攜性，穩(wěn)定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點(diǎn)放到終端設(shè)備本身，這給嵌入式設(shè)備本身增加了不穩(wěn)定性，使其更繁冗，同時增加了生產(chǎn)成本。

采集節(jié)點(diǎn)在實(shí)際使用時，一般安裝在較為偏遠(yuǎn)的溫室大棚中。考慮到現(xiàn)場升級不太方便，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)的IAP 遠(yuǎn)程升級功能，利用NB 網(wǎng)絡(luò)傳輸升級文件，大大降低了設(shè)備的維護(hù)難度，提升了便利性，如圖6 所示。

本文在python 端實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程升級的自動化。遠(yuǎn)程升級開始后，由python 端自動下發(fā)升級報(bào)文，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)成功后，寫入flash，并上報(bào)下一條升級包的序號，python 端自動下發(fā)下一條升級報(bào)文。待所有升級報(bào)文下發(fā)完成后，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到新的程序開始執(zhí)行。流程圖如圖7 所示。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗智慧大棚控制系統(tǒng)，硬件和軟件經(jīng)測試均可正常運(yùn)行，配合3 000 mAh 可充電鋰電池能使用90 d。本系統(tǒng)能檢測農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境并自動做出調(diào)節(jié)，使作物一直處于合適的生長環(huán)境，增加作物的產(chǎn)量。