基于阿里云的智慧溫室大棚系統設計

李開旭

（青島理工大學，山東 青島 266525）

0 引 言

隨著物聯網信息技術的發展，我國農業形式正在由傳統農業向數字農業、精確農業再到智慧農業轉變[1]。我國作為農業生產大國，農業生產在國民經濟發展過程中發揮著不可替代作用。如今，現有的農業大棚種植大多還是以傳統種植方式為主，智能化程度低，消耗人力嚴重，種植者無法準確獲取農作物實時數據并進行科學管理，利用有限的土地創造出更多的農作物產量，提升作物產值。所以我國必須進行大棚農業種植升級轉型，根據傳統大棚作物缺陷，智慧溫室大棚系統利用物聯網技術、傳感器技術、阿里云等開發平臺設計了一套智慧溫室大棚系統。智慧溫室大棚能夠根據不同作物對環境的不同要求進行智能感知與調控，使大棚種植向高效率、高產量、低成本的現代農業逐步轉變。

1 智慧溫室大棚系統設計框架

智慧溫室大棚系統是基于阿里云平臺，主要由智能傳感器、MCU、被控部件和人機交互界面組成，多重傳感器分別用來測量作物環境溫濕度、土壤濕度、棚內紫外線強度、CO2濃度、土壤pH 等；控制部件采用STM32F407 單片機作為微控制器；被控部件主要由調溫設備、控濕設備、通風設備、噴灑設備、CO2發生器構成，人機交互界面主要是PC 界面與底層數據顯示界面[2]。在保證智能溫室大棚軟件系統穩定運行的情況下，通過優化底層硬件提升系統穩定性與可靠性[3]。智慧溫室大棚系統設計框架如圖1所示。

圖1 智慧溫室大棚系統設計框架

傳感器作為系統的感知部分，也為系統的基礎部件。智能傳感器將采集到的作物環境溫濕度、棚內紫外線強度、CO2濃度等信息通過微處理器STM32F407 單片機處理，通過4G Cat 1 模組上傳至阿里云平臺，阿里云平臺針對大棚內環境信息做出分析與反饋。

2 智慧溫室大棚系統硬件設計

2.1 傳感器模塊

溫濕度傳感器具有數據傳輸穩定、功耗低、控制簡單等特點，在選擇溫濕度傳感器時，考慮到溫室大棚內的環境溫度和濕度對作物影響狀況，且系統對數據傳輸的穩定性要求較高，同時用戶希望系統能夠操作簡單，因此，系統選擇常見的DHT11 溫濕度傳感器作為測量大棚內的溫濕度情況[4]。圖2為智慧溫室大棚系統的溫濕度傳感器電路圖。

圖2 溫濕度傳感器電路圖

在我國大棚作物的快速發展之下，土壤濕度也漸漸成為作物生長的一個重要參考。土壤濕度傳感器中濕敏電容的電容值可用來判斷土壤濕度變化情況，土壤濕度與電容值呈正比關系，土壤中的濕度越大，電容的值越大。土壤濕度傳感器對大棚內的土壤濕度進行檢測后，將檢測到的數據傳送到阿里云平臺，當時土壤中水平含量偏低時，云端將會發出指令啟動噴灑設備進行噴灑[5]。圖3為智慧溫室大棚系統的土壤濕度傳感器電路圖。

圖3 土壤濕度傳感器電路圖

CO2是植物光合作用的重要原料，當溫室大棚內的二氧化碳濃度較低時，將會抑制農作物的光合作用，降低農作物的產量。二氧化碳濃度過高時，會影響到大棚內農作物的有氧呼氣，也會對農作物產生危害。因此，及時監測溫室大棚內的二氧化碳濃度對農作物的生長發育有著重要作用。二氧化碳濃度不合理時，阿里云平臺將會下達指令啟動二氧化碳發生器或通風設備，使二氧化碳濃度控制在利于農作物生長的范圍內。圖4為智慧溫室大棚系統的CO2氣體檢測傳感器電路圖。

圖4 CO2 氣體檢測傳感器電路圖

2.2 智慧溫室大棚系統的微控制器

智慧溫室大棚系統為實現對智能溫室大棚精準監測與控制，對控制器模塊的運算能力要求較高，故選擇STM32F407 單片機作為微控制器[6]。STM32F407 單片機基于CortexTM-M4 內核設計的，最高頻率能夠達到168 MHz，該控制器集成了定時器、多種I/O 接口、ADC、DAC、中央處理器CPU、CRC 計算單元等完整外設，相當于一個小型的計算機系統，具有強大的數據處理能力[7]。并且，STM32F407 單片機具有體積小、性價比高、操作靈活和接口豐富等優點，能夠滿足系統設計要求，通過物聯網中間件即可實現云端對溫室大棚的遠程控制。

2.3 智慧溫室大棚系統的被控模塊

被控模塊主要用來控制棚內的調溫設備、控濕設備、噴灑設備、通風設備的運行，智慧溫室大棚系統內設有自動化控制板，阿里云平臺在感知到異常數據時，可以自動發出指令對開關進行控制。管理員也可查看云端或手機端的棚內作物生長狀況。通過智慧溫室大棚手動控制與自動控制相結合的方式，使大棚內的環境參數達到最優值。

系統的底層傳感器將采集的環境數據進行簡單處理后，通過通信模塊把數據傳給阿里云端，作物環境參數與阿里云端預先設好的定值進行對比，當某一參數的值達到設定好的閾值，云端下達控制指令，控制指令再經過通信模塊反饋到控制節點上。控制設備收到命令后，開始工作，對溫室大棚進行調溫、控濕、噴灑等操作，實現對溫室大棚的智能調控[8]。

3 智慧溫室大棚系統軟件設計

慧溫室大棚系統基于阿里云平臺，系統的軟件設計可分為數據顯示、程序控制、算法分析三大部分。系統啟動之后進行初始化，底層傳感器將獲取的數據傳送給單片機，數據經過單片機處理，通過通信模塊上傳阿里云平臺，阿里云平臺可遠程下發指令。為更好地觀察農作物生長情況，底層使用LCD 1602 顯示屏將監測數據進行可視化。系統在運行的過程中，可記錄棚內CO2濃度、溫度、濕度、土壤pH 值等歷史數據，以及農作物的生長情況。通過引入長短期記憶網絡、BP 神經網絡、卷積神經網絡等算法，建立農作物產量預測模型，對已知的數據集進行訓練，尋找能夠使農作物產量最大化的環境參數閾值。當監測的數據達到閾值時，通過控制設備適當調整大棚內的環境。通過神經網絡等算法智能設置閾值，實現對農作物產量的分析、預測和評估[9]。智慧溫室大棚系統可視化界面如圖5所示。

圖5 棚內作物環境變量可視化界面

4 阿里云平臺

阿里云，阿里巴巴旗下的子公司，是全球領先的云計算及人工智能科技公司，阿里云能夠提供強大的云計算服務[10]。在使用阿里云平臺時，首先注冊一個阿里云賬號，之后可以通過APP 掃碼或者輸入賬號密碼方式登錄，在阿里云菜單欄中找到“云服務器ECS”并點擊，用戶可以根據自己的需要，選擇可用區、實例規格、使用年限、操作系統等，完成云服務器創建。之后用戶可通過控制臺或XShell 等工具連接服務器，最后部署應用。阿里云控制臺為用戶提供了直觀清晰的用戶頁面，使用簡單的操作就可以對溫室大棚進行控制，在管理Web 應用程序時提供了極大的便利。阿里云平臺為系統提供了數據轉儲、發布、處理、應用等功能，在人機交互方面有著很好的表現[11]。

5 結 語

傳統溫室大棚在農作物收益方面取得的效果并不理想，消耗人力嚴重，難以實時獲取棚內作物生長的環境溫濕度、土壤pH 值、CO2濃度以及棚內紫外線強度等信息，棚內生產大部分依靠人力完成，人工成本較高。針對傳統大棚暴露出的問題，設計智慧溫室大棚系統以實現溫室大棚的智能化管理。智慧溫室大棚系統基于微控制器、傳感器、通信模塊、顯示屏等部件，利用現代化的環境感知和智能控制技術提高棚內作物生產的智能化水平。智慧溫室大棚作為我國智慧農業發展的重要組成部分，能夠進一步推動傳統溫室大棚升級轉型，加快我國鄉村振興。