基于“互聯網+”的種植大棚智能化遠程聯動控制系統研究

孔繁庭，李享國

（蘭州文理學院 傳媒工程學院，甘肅 蘭州 730010）

0 引 言

種植大棚智能化遠程聯控制系統是近些年慢慢發展起來的一種智能、經濟、高效的農業種植發展技術，是由傳統光照大棚，結合現代計算機技術、傳感器技術，對微處理器進行開發而成的一種順應時代進步的新型農業科技[1]。種植大棚控制主要是根據作物的最適生長環境來控制種植大棚內部的環境，確保作物生長在最適生長環境中，提高作物的產量，減少人工成本[2]。本設計根據未來新式種植型大棚的發展趨勢[3]、實用性[4]、經濟性、可拓展性方面的考慮，設計出一款對大棚溫度、濕度實時監測，并自動完成對大棚上、下卷簾以及上、下通風口，水肥一體機的控制，達到對大棚內部環境的及時補償。設計出的空間循環式運輸系統，大大減少了占地面積，也極大地減少人工運輸成本。

本研究是立足于當下農產品種植的痛點難點，進行針對性的考量，并加入后期可拓展功能，可隨時代發展而不斷拓展進步，該系統可以應用在可食用性農作物周期性栽種，觀賞性植物蓄養，時令性農產品養殖等生產型溫室，也可進行實用性大規模量產，為農民增產增收。

1 智能種植大棚系統設計

研究的種植大棚系統分為STM32F103C8T6 主控模塊、WiFi 模塊、補光驅動、步進電機驅動、電機驅動、數據存儲、溫濕度測量、光照采集、OLED 顯示等八大模塊。本系統由溫濕度測量模塊和光照采集模塊采集種植大棚內部的土壤溫濕度、空氣溫濕度以及光照度，將采集的數據傳輸至主控芯片，主控芯片將該數據通過WiFi 模塊傳輸至阿里云并在OLED 顯示模塊顯示，然后再由阿里云傳輸至云智能APP，實現數據在云智能APP 上顯示。系統主體框圖如圖1所示。

圖1 系統主體框圖

該系統工作狀態有兩種模式即自動模式和手動模式，在自動模式時，主控芯片通過種植大棚內部的閾值與實時檢測的數據進行對比，然后由主控芯片對補光驅動、步進電機驅動、水泵、運輸電機驅動等模塊進行驅動，實現對種植大棚的環境補償。手動模式即在云智能APP 界面進行手動控制，對補光驅動、步進電機驅動、水泵、運輸電機驅動等模塊實現環境補償。

2 智能種植大棚硬件設計

本系統電路如圖2所示，由電容式土壤濕度傳感器模塊[5]采集數據，再由STM32 微處理器[6]進行數據處理，0.96 寸OLED 顯示模塊顯示溫度。由卷簾電機調節大棚室內溫度，當室內溫度小于溫度設定閾值時卷簾關閉，達到保溫功能；當室內溫度大于溫度設定閾值時卷簾打開，達到降溫功能。由光照模塊采集光照度數據傳輸至STM32 微處理器，然后通過補光LED 燈進行光補償。通過電容濕度模塊采集土壤濕度數據并傳輸至STM32 微處理器進行數據處理，然后通過澆水電機進行土壤濕度補償。通過DHT11溫濕度傳感器模塊將溫室大棚內的濕度數據傳輸至STM32微處理器并進行數據處理。通過電機正反轉來控制大棚的通風口的開合狀態而進行濕度補償。通過控制電機轉動操作實現作物在大棚內的運輸。通過WiFi 模塊連接阿里云[7]，然后通過阿里云將數據傳輸至手機APP[8]，實現數據交互。

圖2 種植大棚控制系統電路圖

種植大棚頂部由保溫卷簾，上、下通風口等驅動電機控制。如圖3所示，該驅動原理為：當室內溫度高于溫度閾值上限時，圖中左側電機啟動帶動保溫卷簾卷起；當室內溫度低于溫度閾值下限時，圖中左側電機啟動帶動保溫卷簾放下。當室內濕度高于濕度閾值時，圖中右側電機啟動打開上下通風口，反之則實現關閉通風口的操作。

圖3 種植大棚棚頂模型示圖

種植大棚運輸系統設計：針對蔬菜運輸，共設計出兩款運輸模型，第一款如圖4所示，參考工廠生產線運輸裝置，雖能實現作物運輸，但會使大棚內部的種植面積減少。因此改進為第二款，如圖5所示，采用立柱式空中運輸裝置，相比于第一款具有更加小的占地面積，更加少的裝置生產成本。第二款運輸模型采用空中循環式運輸架，如圖6所示，由電機驅動鏈條如圖7所示，帶動懸掛運輸籃子的鉤子如圖8所示，以此實現運輸，減少人工運輸成本，也減少了運輸系統占用種植面積。

圖4 第一款運輸系統模型

圖5 第二款運輸系統模型

圖6 運輸架模型

圖7 傳送動力裝置

圖8 作物運輸掛鉤設計

3 智能種植大棚控制系統軟件設計

電源端開始供電，系統開始執行初始化程序判斷服務器是否已經連接，若服務器未連接，則執行連接服務器程序并判斷服務器是否已連接，直至連接到服務器。當服務器連接已完成則執行主循環程序：執行按鍵掃描程序；處理服務器下發數據；判斷數據更新時間是否達到，若更新時間到則執行更新數據。主系統軟件流程如圖9所示。

圖9 系統軟件主流程

3.1 系統控制邏輯

微處理定時器1 中斷，控制按鍵狀態每2 ms 讀取一次。當存儲變量為0XFF，執行更新按鍵未按下狀態；當存儲變量為0X00，執行更新按下狀態；微處理器定時器2 中斷，每30 s 發送一次，執行將當前室內溫濕度、光照度、土壤溫濕度發送到服務器；微處理器定時器3 中斷，每1 s 執行一次，執行讀取室內溫濕度、光照度、土壤溫濕度，并更新到OLED 顯示屏上；微處理定時器4 中斷，執行解析串口2 接口接收到的數據長度，然后更新數據長度，將數據更新到接受緩沖區；微處理器串口2 中斷，執行接收服務器下發的數據。系統控制邏輯流程如圖10所示。

圖10 系統控制邏輯流程

3.2 初始化掃描、掃描函數程序設計

系統初始化程序：先執行延時函數初始化、OLED 初始化、更新OLED 顯示；之后執行ADC 初始化程序（串口1、串口2 初始化，定時器初始化）；然后執行輸出初始化、按鍵初始化、I2C 初始化程序；最后執行步進電機初始化、備份數據讀取、首次數據更新程序，完成本次初始化功能。初始化掃描流程如圖11所示。

圖11 初始化掃描流程

按鍵掃描程序：先執行判斷程序，判斷現在時刻狀態和前一階段狀態是否一樣，當前狀態與前一狀態不一樣時，則執行判斷程序判斷Flag=1，當Flag=1 為真時，執行構建顯示數據更新為OLED 第1 頁顯示程序，然后執行更新備份值程序；當Flag=1 為假時，執行構建顯示數據更新為OLED第2 頁顯示程序，然后執行更新備份程序。掃描函數程序流程如圖12所示。

圖12 掃描函數程序流程

3.3 阿里云APP 與控制系統的連接

在信息傳輸時，數據是由阿里云平臺作為中間媒介實現APP 與硬件系統的交互，APP 與EWM3080-v2 WiFi 模塊建立連接。本次設計所使用的服務器是阿里云服務器，平臺是阿里云生活物聯網平臺，在阿里云生活物聯網平臺可以實現人機交互方式的配置操作。其操作可包括設置交互端，對產品進行命名操作、板面顯示設置操作（用于APP 頁面的顯示內容）和配網的方式操作。在上述操作中，最重要的是配網方式，因為每一個單體WiFi 模塊都有自己唯一的產品ID、設備秘鑰、產品秘鑰、設備名等，每次配網都需要根據不同的信息進行操作，因此APP 與WiFi 模塊連接具有唯一性，導致了配網方式成為云智能APP 與WiFi 模塊綁定的關鍵。在配網時，配網方式應該選擇一鍵配網；之后在阿里云生活物聯網平臺設置完成后，將會出現一個配網二維碼；然后打開云智能APP 連接上無線路由器；最后掃描此碼即可完成配網操作，實現云智能APP 與WiFi 模塊的綁定。

3.4 種植大棚控制系統軟調試

云智能APP 主界面如圖13所示，其顯示室內溫濕度、光照度、土壤溫濕度等測量的室內環境數據以及卷簾、澆水、補光、通風及運輸等控制系統的開關、工作狀態。在APP的閾值設置界面可以顯示設置閾值范圍（閾值上限、下限），如圖14所示。在歷史曲線界面時可以顯示土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等數據的歷史數值，如圖15所示。當工作模式為自動時，控制系統根據閾值執行相應系統驅動程序。當溫度低于溫度下限時，卷簾打開執行，當溫度高于溫度上限時，卷簾卷起執行，溫度閾值控制卷簾系統正常；當濕度高于濕度上限時，通風口打開執行，排濕系統正常；當光照度低于光照度閾值時，補光LED 打開，高于光照度閾值時關閉，補光系統正常。當土壤濕度低于土壤濕度閾值時，抽水系統開始工作，澆水系統正常。當系統工作狀態為手動模式時，對卷簾、澆水、補光、通風及運輸進行手動控制，測試結果正常。調試完畢，系統正常。

圖14 閾值調節界面

圖15 歷史數據界面

4 系統實物

本蔬菜種植大棚控制系統在研究期間均采用5 V 電壓驅動小電機進行模擬，而在現實中一般都是驅動220 V 電機進行卷簾、通風、運輸等操作。考慮到實用性，故在制作控制實物時要用到小電流控制大電流的操作。小電流控制大電流基本原理是通過單片機將信號給到繼電器，繼電器導通接通220 V 電壓，將電壓供到交流接觸器（交流接觸器吸合）使得電機接通電源，開始工作。根據此原理做出實物控制箱如圖16、圖17所示。

圖16 實時控制APP 頁面

圖17 系統控制電路箱

5 結 語

本系統實時監測種植大棚室內土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等實時數據并將數據上傳至阿里云數據庫，在云智能APP 上可實時查看歷史數據。調節蔬菜生長閾值，監測數據與閾值進行對比，實現對作物的水肥補償、光照補償以及溫濕度補償等，還可以通過實時控制運輸系統實現對作物的棚內運輸。對作物的生長環境補償以及作物運輸，實現作物的增產，減少人工成本，基本實現作物現代化種植。

本次設計仍有些許不足之處，如在視頻監控這一塊由于STM32 微處理器的圖像處理能力受限，且設計的運輸系統只針對于作物較矮的情況（如土豆、番茄和辣椒等），并未設計出其他大型作物運輸系統模型。在后面會加以改進，完善該系統功能，使其達到能夠在西北地區農業生產上推廣使用水平。