物聯網大棚農作物生長環境參數監測系統的設計

李聯鑫，梁冀，林雪瓊，李才懿

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 引言

目前，我國農業當前情況是“大國小農”，農業產業正面臨著從業人員不足，老齡化，農業用地逐漸下降等問題，農業生產也面臨越來越多的挑戰。自黨的第十三屆人民代表大會常務委員會之后，我國就開始全面實施鄉村振興戰略，同時農業也進行了全面升級，打破了傳統的農業生產模式，向新型的智慧農業轉變，加快了農業現代化的建設。在智慧農業中，農業大棚是近年來備受歡迎的一個重點發展研究方向，研究人員通過對農業大棚進行設計，根據農作物的生長需求，設定大棚內的適合農作物成長的生態環境，以提高農作物的生產量。為實現面向農業大棚的物聯網監測系統的開發，利用多樣傳感器、通信網絡與手機APP 分別完成大棚生態參數的采集、數據終端、監測平臺的組建，可對農業大棚內的環境變量進行實時的采集、傳輸和監測，同時也可通過手機App 對設備進行修改與調整，為農作物提供更好的生態環境的同時，也徹底減輕了農業從事人員的工作負擔。

1 研究內容

農業大棚環境參數實時監測系統是以STM32 單片機為核心硬件，結合多參數物聯網技術的檢測調節系統，通過溫濕度處理模塊、光照監測模塊、空氣煙霧檢測模塊、土壤監測模塊、大氣壓監測模塊、紫外線檢測模塊、風速檢測模塊對大棚的各個環境參數進行采集，并傳送至控制核心，核心硬件對數據進行分析并處理，將處理后的數據上傳至物聯網云平臺，通過手機APP 遠程監控農業大棚內各個參數及設備控制，從而實現更加精細化、智能化的農業生產。

為了實現上述條件，本系統將從以下幾個方面進行研究。

（1）總體架構設計。為了能夠給農作物提供更加合理的生長環境，系統需要對農業大棚進行合理的架設，選擇合適的供電方式，使其能更高效且經濟地為棚內各個模塊供電。由于采集的環境參數多種多樣，因此需要建立有效的監測控制系統，自動控制大棚內的各個設備，能夠根據需要實時開啟或者關閉指定設備，根據需求調節棚內的各個參數，為農作物提供更舒適的生長環境。

（2）傳感信息采集。采用各個模塊組成數據采集系統，主要負責大棚內空氣溫度、濕度、光照強度，土壤濕度、水分以及CO2濃度等環境參數實時采集和傳輸。針對采集數據的參數建立適合的傳輸方式，使其能準確上傳、存儲數據。根據上傳數據，控制核心可以根據傳輸的數據，調節農作物最佳的生長環境。

（3）監測平臺的選擇。為了保證數據的安全性和用戶的操作便利性，增強用戶體驗感，建立一款安全、可靠、便捷的監測數據平臺是十分必要的，可以方便用戶隨時隨地查詢農作物的環境參數。

2 設計方案

基于STM32 的物聯網大棚農作物生長環境監測系統由硬件和軟件相結合設計完成，硬件部分由STM32 主控模塊、溫濕度處理模塊、液晶顯示模塊、光照監測模塊、語音播報模塊、可燃氣體檢測模塊、土壤監測模塊、大氣壓監測模塊、紫外線檢測模塊組成。軟件部分主要完成STM32 的對傳感器采集的環境數據處理及云平臺的連接和手機App相結合，負責各項數據的監測和控制各個設備，實現對大棚內各種參數的實時監測和調整，系統設計總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統設計總體框圖

3 硬件設計

智慧農業大棚系統的電路原理圖如圖2 所示，主要由STM32、與WiFi 模塊以及多個傳感器模塊組成。

圖2 電路原理圖

圖3 BH1750 光照檢測模塊

圖4 MQ-2 煙霧檢測模塊

圖5 大氣壓強檢測模塊

■3.1 主控模塊

STM32F103C8T6 是ST 公司生產的Cortex-M 3 處理器內核的 32 位微控制器，具有高效能、低能量消耗、低電壓，豐富的通信接口等特點。基于STM32 系統的各個性能和STM32F103C8T6 芯片的特點，本設計采用STM32F103C8T6 作為主控對農業大棚的內部環境檢測以及設備的控制，輔助由電容，電感形成的外部晶振電路形成單片機的系統時鐘電路，保證其能正常工作，以便對采集后的數據上傳至云平臺。

■3.2 BH1750 光照檢測模塊

光照傳感器采用BH1750。BH1750 內部由photodiode、OPAMP、ADC 采集、Oscillator 組成，其主要通過透入光窗的光來判斷光照大小，即進入的光線越強，產生的電流越大，電壓就越大。在通訊方面，當STM32 單片機與BH1750 相連時，BH1750 不做電平轉換便可將數據傳輸到主控模塊上，單片機通過I2C 協議與光照傳感器通訊，進而將其中寄存器中得到的光照度信息獲取出來。

■3.3 MQ-2 煙霧檢測模塊

煙霧傳感器采用MQ-2。MQ-2 是一種SnO2表面離子式N 型半導體材料，是一種用途廣泛、性價比高且操作簡單的現代集成傳感器，常用于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。在周圍環境溫度為200℃～300℃時，其二氧化錫σ 會發生改變，當煙霧密度越大，σ 越大，電流在電路中的阻礙程度會更小，能夠更順利地流過電路，輸出的模擬信號會增大，從而監測到煙霧的存在信息?？梢愿鶕@一特性，對大棚內的氣體監測，當大棚內出現有害氣體且不利于農作物生長的氣體時，傳感器就會發出報警信號，提醒用戶。

■3.4 紫外線檢測模塊

紫外線傳感器采用CJMCU-GUVA-S12SD。CJMCUGUVA-S12SD 由氮化鎵材料的肖特總類的光敏二極管組成，適用于光電模式。該傳感器原理為，利用光敏元器件通過光伏模式和光導模式將紫外線信號轉換為可測量的電信號，輸出的電流與光照強度成正比。其光譜的監測范圍為240～370nm，很好的適用于太陽光中的紫外線監測，同時具有的線性好、靈敏度高、穩定性強、功耗低等特點。

■3.5 大氣壓強檢測模塊

大氣壓傳感器采用BMP280。BMP280 是由壓電壓力傳感單元、信號處理電路、模數轉換器組成，其主要工作在1.9～3.6V 的電壓下。工作原理為讓BMP280 的自帶的壓力傳感單元，經過ADC 采樣導入到校正存儲器，經由I2C 通信協議讀出氣壓值，氣壓測量的范圍為300hPa～1100hPa，最大誤差為±1hPa，基本滿足系統對大棚內部氣壓的監測要求。

■3.6 土壤濕度檢測模塊

土壤濕度傳感器采用YL-69。YL-69 工作在DC3.3-5V的電壓下，其工作原理為濕敏電容，當環境的濕度發生改變時，土壤濕度檢測模塊的輸出電壓值也會隨著土壤的濕度變化，通過ADC 采集電壓進行數值換算。

■3.7 語音播報模塊

語音播報模塊采用CN-TTS。CN-TTS 是一款可實現高集成度的語音組成模塊，可以完成中、英、數字的語音拼合。該模塊通過TTL 串口發送GBK 編碼的方式與單片機的IO口相連，根據系統的需求編寫適合的軟件程序完成相應命令詞或者提示音寫入，當觸發到單片機指定的指令，其就會直接輸出至4Ω3W/8Ω2W 的喇叭，進行相應的語音播報，此模塊在農業大棚內起到很好的提示作用。

4 系統軟件設計

軟件部分主要是對STM32F103C8T6 單片機進行編程控制、手機APP開發并編程，以便實現系統各監控參數的采集、傳輸、監控和設備的控制，并通過手機APP 遠程監控農業棚內的各項數據，系統設計的總程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

■4.1 STM32 軟件設計

本模塊旨在通過對主控模塊的程序設計來執行對各個模塊采集數據的收發與環境參數的調節，首先將系統初始化連接上WiFi 后，單片機將會通過串口和I2C 通信以及ADC采集獲取傳感器數據，并將其可視化到顯示屏上，之后采集裝置采集到的數據經過單片機處理和分析后通過MQTT 協議與ONENET 平臺相連，將檢測到的數據可以上傳并存儲到物聯網平臺后，使得手機可以在APP 云平臺上獲取到各模塊數據。

■4.2 移動端軟件的設計

系統設計了一款APP，用戶能更方便地了解大棚內的環境參數以及根據實際需要對大棚內進行設備的控制。為了實現手機APP 與單片機之間的數據交換，本設計通過WiFi連接ONENET 云平臺，APP 通過GET 指令獲取云平臺的產品設備API 的數據，通過解析獲取到的數據得到單片機上傳至云平臺的各項傳感器數據，獲取數據成功之后就手機APP界面就顯示農業大棚內監測到的各項的環境參數，同時也可以對各個設備進行控制，使其農作物的生長環境處于最佳狀態，設計的手機APP 顯示界面如圖7 所示。

圖7 手機APP 運行效果圖

圖8 上位機監測界面

圖9 物聯網環境監測的農業大棚實物圖

5 系統的實物圖及系統測試

經調試結果得到，物聯網環境監測下的農業大棚中的各種傳感器正確地將各種數據傳輸到了圖10 實物顯示屏監測界面上，而實物顯示屏監測界面也直觀無誤地顯示出傳感器傳輸的數據，并將數據傳輸到上位機監測界面的顯示屏上，達到足不出戶便可掌控大棚內生態環境的功能，實現了智慧農業大棚，傳感器采集的數據在監測界面里一目了然，上位機監測界面直觀地顯現出了溫濕度、土壤、光照以及各種數據，便于后續合理利用資源，達到提高農作物的質量與采收。

圖10 實物顯示屏監測界面

6 結束語

基于物聯網環境監測的農業大棚是智慧農業在未來發展的一個重點領域，是實現農業現代化和鄉村振興戰略目標的重要一步。通過智能的農業大棚能夠有效地改善農作物生態環境，且通過收集大棚環境參數信息，并適當控制和調整相關參數信息，為農作物提供最適宜的生長環境，合理利用資源，從而提高生產效率。本設計了完成的物聯網開放平臺與數據采集裝置配合完成的農業監測系統，能夠實時有效監測大棚內的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等生長環境參數進行實時監測和控制，該農業大棚環境參數監測系統具有開發成本低、生產周期短、部署簡單且用戶可隨時通過手機APP 實時獲取農作物生長環境信息等優點。在傳統農業的基礎上，應用信息技術，傳感技術，物聯網技術等手段來改善和優化農業大棚環境參數監測系統，為實現農業生產的高效化、智能化和可持續化發展提供了一定的基礎。