淺談塞北地區農業大棚溫濕度監控系統設計

續劍英，張奧，賈超，侯彥澤

（1.內蒙古工業大學現代教育技術中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2.大連市氣象服務中心，遼寧 大連 116092）

1 前言

農業大棚是一種人工建造的農業生產設施，在延伸種植季節、保護環境、改善農產品品質、提高農業生產效率和促進科技創新等方面為農業生產帶來了許多積極的影響和發展機會。溫度對農業大棚具有重要性，它影響著作物的生長與發育、抗逆能力、病蟲害控制、資源利用以及生產的穩定性。科學合理地控制溫度，將有助于提高農業生產效益、保障糧食安全，促進可持續農業的發展。

從整體來看，盡管我國是溫室種植的發源地之一，但在城市化建設逐漸加速的情況下，我國可耕種土地的面積呈逐年減小的趨勢。從2004年開始，我國政府連續16年發布了以農業為主題的中央一號文件，而最新的《2030年前碳達峰行動方案》中，國務院提出了強化生產效能的重點設備節能措施，積極推動綠色低碳循環農業的發展，支持設施農業等低碳農業模式。這對于我國正處于由傳統的“粗放、低效率的生模式”向“精細農業生產模式”過渡的設施農業，提出了更高的要求。

文本構建了一套以樹莓派為主體的農業大棚溫度監控系統，該系統在面對棚內溫度超出設定閾值時，會觸發系統報警機制并驅動棚內設備對環境溫度進行調節，使得棚內作物生長保持在適宜的范圍內，該系統可以集成能源管理模塊，監測和控制溫室內的能源消耗。通過合理調控加熱器、通風設備等能耗設備的運行時間和功率，系統可以降低能源消耗，提高能源利用效率，實現節能減排的目標，有效提升農業生產效益和可持續發展。

2 系統設計原理

2.1 硬件設計

本文提出的控制系統通過溫度傳感器實時監測農業大棚內部的溫度變化。主控制器（樹莓派）會對收集到的數據進行分析和處理，并根據需要自動調整遮陽布、加熱器、通風窗等設備的運行狀態，以維持理想的環境條件。同時，系統還提供了云平臺和終端設備，使操作人員可以直觀地查看數據，并進行相應的操作。這樣，操作人員可以及時了解農業大棚的溫度情況，做出相應的調整，確保作物得到良好的生長環境。整個系統為農業生產提供了便捷和智能化的解決方案（圖1）。

圖1 溫控系統整體框架

在本設計方案中，溫控系統的整體框架以中央控制器為核心，中央控制器部分選用了樹莓派，通過溫度傳感器對農業大棚內的環境因子進行實時監測。監測到的數據將傳送至樹莓派，樹莓派會與預設數據進行比較，并根據對比設定閾值的比較結果驅動相應設備，達到對大棚內環境相應的參數進行及時合理調節的目的。

同時，利用通訊模塊傳遞采集參數信息至云平臺直觀地展示了所檢測到的溫度數據以及預先設定的溫度范圍。此外，其歷史數據進行分析功能，可提供數據報表和趨勢預測，通過手機等終端設備，幫助用戶更好地了解大棚環境變化規律和作出相應的調整。這樣的設計使得農業大棚內的環境能夠達到農作物最適宜生長的標準。該設計的優點在于成本低、效率高，同時也能有效節約資源。溫控系統的硬件組成結構如圖2所示。

圖2 溫控系統的硬件組成

2.2 溫控模塊設計

（1）數據采集模塊選型。本設計方案采用了RS485型溫濕度變送器來監測農業大棚的溫度數據。該設備通過485信號輸出數據，具有更高的測量精確度。為了實現與樹莓派的通信，我們使用了MAX485芯片來完成485信號的轉換，并確保通信的穩定性和可靠性。通過這種設計，我們可以準確地獲取農業大棚的溫度數據，并將其傳輸給樹莓派進行處理和控制。這樣的方案可以保證數據的準確性，并提供穩定可靠的通信連接，以確保系統的正常運行。

MAX485是一款常用于RS-485通訊的芯片，其端口功能如表1所示。

表1 芯片引腳接線

A線和B線為差分信號線，用于RS-485通訊的數據傳輸；RO（Receiver Output）為接收器輸出端口，用于輸出經過解調的接收數據信號；DI（Driver Input）為驅動器輸入端口，用于輸入要發送的數據信號；供電端口VCC連接正極電源，GND連接負極地線。

通過以上端口的合理連接，可實現大棚環境監控系統的數據傳輸功能。

RS485型溫濕度變送器的重要性能指標有：供電電源，設定10～30（DC）；刷新時間，設定1s；檢測范圍，包含溫度（-40～+80℃），濕度（0%RH～100%RH）；信號輸出，為RS485。

（2）云端環境配置。智能農業是一種以應用先進技術和創新為解決方案的農業發展模式，旨在提高農業生產效率、降低資源消耗、改善農產品質量，并實現可持續發展。智能農業利用物聯網、大數據分析、人工智能等技術，將傳感器、自動化設備等應用于農田管理、養殖業和溫室種植等領域，實現精確農業管理和優化決策。

本文提出的農業大棚溫控系統利用阿里云平臺與樹莓派進行關聯，創建物聯網實例并添加設備，在樹莓派上配置連接，并通過API上傳數據和控制設備，API是一種定義了功能和數據交互規則的接口，為開發者提供了更方便、高級的接口和工具，用于快速構建應用程序。首先將樹莓派接入物聯網平臺，選擇Python語言作為樹莓派的編譯語言，Python 3支持MQTT需要以Paho-MQTT的庫的支持為基礎，建立物聯網平臺連接的主要流程如圖3所示。

圖3 樹莓派連接物聯網平臺的步驟

（3）中央處理器選型。本系統的設計將樹莓派3B+作為系統的中央處理器，樹莓派3B+采用了Broadcom BCM2837B0 SoC（System on a Chip），內置1.4GHz的64位四核ARM Cortex-A53處理器，性能相較前代有所提升。同時具有40個引腳（GPIO引腳），這些引腳可以用于連接外部設備，拓展樹莓派的功能。其中，引腳接口的分配如表2所示。

表2 相關引腳/接口的分配

程序運行成功后，設備將接入阿里云的物聯網平臺，可以與阿里云物聯網平臺實現通信。設備每隔10s上報一次自己的數據，并且會響應物聯網平臺下發的控制指令。

2.3 軟件設計

本系統還具備自動控制功能，根據事先設定的閾值，能夠智能地控制附加設備，如加熱器、灌溉系統和通風設備，以保持理想的環境條件。此外，鑒于塞北地區獨特的氣候環境，白天不僅可以促進作物的生長還可以實現從太陽能中提取熱量，并將其轉化為供熱，在夜間大棚溫度過低時，利用通風機將白天光照儲蓄的熱量傳輸至棚內，以維持溫室內恒溫環境。通過上述結構設計可實現智能控制，滿足農業大棚溫度需求，并且不會干燥環境，上述結構設計能夠提高作物產量和質量，同時具有節能環保的優勢。

通過自動化調控這些設備，可以提高作物的生長效率，同時減少資源的浪費。系統會根據傳感器監測到的數據進行實時分析和判斷，一旦環境參數偏離設定的范圍，系統會自動啟動或關閉相應的設備，以使環境恢復到理想狀態。這種自動控制功能不僅節省了人工操作的時間和精力，還能夠確保農業大棚內的環境始終處于最佳狀態，促進作物的健康生長。具體內容如下。

（1）系統采集與分析數據流程。溫濕度傳感器開啟后，會按固定頻次采集環境當中的溫濕度數據，并將其輸送給中央處理器樹莓派，中央處理器會根據提前編寫好的相應的數值信息進行數據處理，依照輸入溫濕度范圍，進行數值判定，當檢測到的溫濕度數據大于所輸入溫濕度的范圍時，則樹莓派發出打開風機和除濕器的執行指令；所檢測到的溫濕度數據小于所輸入溫濕度的范圍時，則樹莓派發出打開熱泵裝置和灌溉裝置的指令。另外設置了內部輔助元件。只有當元件被復位，樹莓派才能夠確認設備處于所要求的執行狀態。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

（2）云端界面設計。本系統以阿里云服務器提供的物聯網平臺為基礎，實現樹莓派與物聯網云端的對接。然后在云端控制平臺進行產品的創建以及設備的添加，最后啟動樹莓派終端，在paho-mqtt等第三方庫的支持下建立硬件設備與云端平臺的信息關聯。

（3）云平臺可視化控件組成。系統裝備了一系列傳感器，可以監測農業大棚中的關鍵環境參數，包括溫度、濕度、光照、土壤濕度和二氧化碳濃度等。這些傳感器通過樹莓派設定采樣周期進行數據采集，并借助WiFi連接將數據傳輸到云服務器上。將樹莓派傳遞來的參數信息通過Web界面顯示，具體配置信息如圖5所示，監控平臺可視化界面如圖6所示。

圖5 云端界面配置

圖6 云端設計界面展示

同時，為了方便用戶及時獲知傳感器設備采集到的大棚內部環境信息，以阿里云物聯網平臺為基礎構建移動端應用開發，通過可視化移動應用，用戶可以隨時使用智能手機或電腦來訪問這些數據，隨時獲知大棚內部信息，從而發揮物聯網的功能，移動端可視化界面如圖7所示。

圖7 移動端可視化界面

3 結語

本文提出了一種基于樹莓派的溫濕度監控系統，以農業大棚作為應用環境。系統利用樹莓派作為中央處理，實現對農業大棚內溫濕度的監控。在程序運行過程中，樹莓派接收由溫濕度傳感器檢測到的數據，并經過處理和分析后，對棚內的溫濕度進行相應調整，確保作物始終處于適宜的環境條件下，保證了農作物質量。同時，系統還建立了硬件設備與阿里云物聯網平臺的關聯，實現了信息的遠程監控。借助樹莓派強大的計算能力和靈活的GPIO引腳，可以連接各類傳感器和執行器，實現更精細化的溫濕度控制，系統結合溫度感知、設定閾值、報警機制、溫度調節、數據記錄與分析以及遠程監控與控制等功能，將能夠有效提升農業生產效益和可持續發展。