基于物聯網的溫室大棚環境智慧控制系統研發與應用

摘 "要：為響應國家號召，該文設計并研究出一套基于物聯網的溫室大棚環境智慧控制系統。該系統以Arduino為控制核心，結合溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏電阻光照強度傳感器，加以微型水泵、風扇、加熱片和補光燈等執行器，最后通過ESP8266 NodeMcu通信模塊實現數據傳輸與遠程控制。該文致力于為農戶設計出一套具有一定自動化功能的控制系統，進而幫助到農戶可以耗費更少的人力資源去管理更大更多的溫室大棚，以達到農作物高效生產的效果。

關鍵詞：物聯網；溫室大棚；智慧控制；Arduino；ESP8266

中圖分類號：S625 " " "文獻標志碼：A " " " " 文章編號：2096-9902（2024）09-0005-04

Abstract： In order to respond to the national call， this paper designs and studies a set of greenhouse environment smart control system based on the Internet of Things. The system takes Arduino as the control core， combines temperature and humidity sensor， soil humidity sensor and photosensitive resistance light intensity sensor， plus actuators such as micro water pump， fan， heating piece and supplementary light lamp， and finally realizes data transmission and remote control through ESP8266 NodeMcu communication module. This paper is committed to designing a set of control system with certain automation function for farmers， so as to help farmers spend less human resources to manage larger and more greenhouses， so as to achieve the effect of efficient crop production.

Keywords： Internet of Things; greenhouse; smart control; Arduino; ESP8266

我國作為農業產業生產大國，隨著經濟的快速發展和數字化的進步，土地和資源的短缺問題、惡意占用耕地和環境日益變壞的情況、人口激增所帶來的各式各樣的矛盾越加明顯，普通農業種植滿足不了那些因為自然災害、地理復雜而導致的廣大人口正常需求，而我國科技化種植起步比外國晚，與外國有一定的差距，如農業溫室大棚的現代化管理與控制水平還急需提升。而溫室大棚作為農業技術的重要產物，能夠根據農作物的生長特性和專屬的生長環境，創造一個人工干預的適合其生長的環境氣候，減少季節氣候等自然因素的影響。將物聯網技術應用到溫室大棚中，不僅能夠在一定程度上減少人力成本，而且能夠為農作物提供更舒適的環境，進而達到農業產量提高的成效。

1 "總體設計

本系統采用典型的物聯網架構，包括感知層、傳輸層、平臺層和應用層4個部分。

感知層負責全面監測溫室大棚內的環境生態信息，是環境智慧控制系統最基礎且至關重要的組成部分。以Arduino作為智能終端的核心主控制器，利用各種傳感器實時采集溫室大棚內的環境因子數據。再通過手機APP端遠程手動或系統自動操作，遠程控制溫室大棚內的補光燈、風扇、水泵等執行器設備，從而達到調整溫室大棚內環境因子的效果。

傳輸層在本系統的職責是對環境數據和控制指令的傳遞，將感知層采集的環境因子數據上傳給主控制器設備和通信模塊，再由通信模塊通過MQTT協議將數據傳輸給物聯網云平臺的應用層和平臺層。

平臺層在本系統設計的職責是數據的儲存、管理及指令的執行，本系統使用的是Blinker云平臺，Arduino主控器將傳感器采集的環境因子數據進行處理，再通過ESP8266 NodeMcu模塊將數據上傳到云平臺，再由云平臺將數據進行實時顯示，還可通過云平臺遠程控制執行器設備。

應用層在本系統設計的職責是處理并管理由平臺層轉發的數據，并為用戶提供遠程監控的UI界面。通過手機端的UI界面，用戶能夠在任何時間、任何地點遠程監控溫室大棚的環境因子數據。

2 "系統研發

2.1 "系統硬件設計

基于物聯網的溫室大棚環境智慧控制系統設計的硬件結構是由數據采集模塊、執行器模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊和顯示模塊5個模塊構成。

為了證實溫室大棚內的終端設備能實現自動化和遠程控制的可能性，本實驗系統設計并制造了一個基于Blinker云平臺的物聯網溫室大棚簡化模型，以模擬大棚的真實運行環境。

本系統通過使用風機、微型水泵、補光燈等執行器，進而模擬溫室大棚工作運行環境。其中，執行器模塊通過繼電器控制其驅動，結合手機APP以達到控制自動化和用戶遠程控制的效果。

2.1.1 "數據采集模塊

數據采集模塊是本溫室大棚環境智慧控制系統設計中數據采集功能的主要硬件構成。數據采集模塊采集數據的準確性直接決定了后續系統功能的自動化與遠程通信控制，數據采集模塊選用了3個傳感器構成，分別是DHT11溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器、光敏電阻光照強度傳感器。數據采集功能會輔助自動與手動控制模式，進而更好地實現控制農作物的效果。

1）溫濕度傳感器。在農作物的生長周期中，合適的氣溫和濕度是至關重要的因素。氣溫和濕度變動的速度能影響植物的光合過程，進一步干擾其生長。只有在適宜的溫濕環境下，農作物才能健康成長。因此，對溫濕度進行有效監控和調整是確保農作物健康生長與農作物產量的關鍵。

在該傳感器電路中，采用了一種新型電阻式感濕控制元件和NTC模式測溫控制元件，該傳感器的感濕電阻會隨環境變化而改變，進而影響電路傳遞的電壓值，再通過軟件代碼的換算公式得到此時的環境溫度與濕度數據。

2）光照電阻光照強度傳感器。不同農作物對光照強度的需求不同，過高或過低的光照強度都會對農作物的生長產生不良影響。光照強度過強會導致植物生成過量的光合物質，反之，若光照強度偏低，則會限制植物光合作用的效率。這2種情況均會對植物的成長及發展產生不利影響。因此，在種植農作物時，需要根據其光照需求來合理控制光照強度。

在該傳感器電路中，光敏穩壓電阻的工作狀態受其所處環境的光照強度影響，不同光照環境下不同的光敏穩壓電阻阻值會影響電路傳遞不同的輸入和輸出光敏電壓，再通過軟件相應的換算公式進而可以直接測量出環境光照強度數據。

3）土壤濕度傳感器。土壤濕度對農作物的重要性不言而喻，世界上多少農田因為干涸導致農作物枯死，同時過多的水分也會造成農作物飽和致死，所以農作物的生長需要合適的土壤濕度。土壤濕度的高低會影響植物的吸收能力、根系生長、光合作用和抗病能力。因此，農民需要根據不同作物的要求，合理控制土壤濕度，以保證農作物的健康生長。

本系統設計土壤濕度傳感器采用YL-69，該傳感器選用濕敏材料作為電阻，傳感器采集數據原理是因為其電阻值會隨著探頭周圍濕度的變化進而改變，從而使輸出電壓值改變，再通過軟件代碼設計端編寫的換算公式得到百分比的土壤濕度數據。

2.1.2 "執行器模塊

1）加熱片。高溫容易引發病蟲害，低溫會延長生長期，降低產量。需要合理調節溫度，提高產量。加熱片選用PTC加熱片為發熱元件進行模擬。在發熱元件啟動運行時，發熱器件通過內能轉換為熱能，再通過熱傳遞導致周圍空氣溫度的上升，從而最終實現提高大棚內環境溫度的效果，進而為農作物創造出宜居的生長環境。

2）風扇。降溫器選用小電機散熱風扇為降溫元件進行模擬。通過電流的傳遞使得電機帶動風扇葉片，機械運動產生風力進而實現空氣對流加速散熱，同時還有改善大棚空氣品質的效果。

3）微型水泵。水分是農作物生長和發育的關鍵因素，適宜的水分能夠促進植物吸收營養，提高產量。過多或過少的水分都會對農作物產生負面影響，如使植物生長緩慢、凋萎、感染病害等，因此需要科學調控水分。

本系統選用微型水泵為澆灌元件進行模擬。水泵通過葉輪的高速旋轉，驅動泵體內的水噴射出來。在大氣壓的作用下，模擬水池的水被吸入泵體，進而可以實現持續地噴出和吸入循環。

4）補光燈。光照對植物進行光合作用至關重要，其可以推動植物的成長和發育。不同的農作物對光照的需求各有差異，過度或不足的光照都可能對農作物造成不良影響，例如減緩植物的生長速度，或是導致葉片黃化等。因此，科學的光照調控對提升農作物的產量具有重要作用。

補光燈選用LED燈為補光元件進行模擬。補光燈利用其內部半導體組件的原理來發射光線，為植物提供其健康生長必要的照明。系統主要是在光照條件較弱時使用補光燈，其能夠一定程度上提升大棚內的光照水平，以實現在夜晚或者光照強度低下時為農作物補光的需求。

2.1.3 "Wi-Fi通信模塊

為了實現數據傳輸模塊與云平臺的遠程通信，相對比于其他ESP8266型號，在本系統中使用了功能更加完善、性能更加優秀的 ESP8266 NodeMcu通信模塊。該模塊負責系統主控制器與遠程手機APP端的數據交換。此外，該模塊集成了Wi-Fi、HTTP、MQTT等多種通信傳輸協議，該模塊可輔助其他嵌入式芯片使用，也可自成一體單獨使用。

在本系統中，將Arduino主控制器與相應串口配置并連接，利用模塊內部的嵌入式MQTT通信協議，把串口的數據轉化為Wi-Fi信號數據。通過軟件設計將該模塊的串口與主控制器相配置，當ESP8266與云服務器連接成功，即可實現數據通信。本系統選用STA模式作為通信模塊的工作模式，通過物聯網云平臺使用MQTT通信協議，實現對溫室大棚系統與手機端的數據傳輸通信，已達到遠程通信控制的功能。

2.2 "系統軟件設計

本系統設計用于收集和解析各傳感器在溫室大棚內部環境檢測到的各項數據，進一步確定現行的控制模式。在自動控制模式下，系統將依據手機應用預設的環境參數門限值自主運行。而在手動控制模式下，控制權將完全交由手機應用的用戶手動操作。

2.2.1 "信息采集軟件設計

1）溫濕度采集設計。本系統選用的DHT11型號的溫濕度集成傳感器，與其他相似的環境因子傳感器相比，優勢在于其能夠省去信號放大、過濾、A/D和D/A轉換等內部處理步驟，直接輸出數字信號。在DHT11程序中，傳感器上電后會有一段數據穩定期，以確保檢測到的溫濕度數據是真實可靠的。

2）光照強度采集設計。在本系統中，光照強度模塊由光敏電阻傳感器組成。在光線的照射下，光敏電阻會發生改變，并因此產生微弱的電流變動，再通過數模ADC轉換，將光敏傳感器檢測出的模擬信號轉化為數字信號。與此同時，系統會使用ADC1的第1通道來調整光敏二極管的電壓。

3）土壤濕度采集設計。為了獲取更為精確的土壤濕度讀數，采用了市場上相關農業從事者廣為認同的YL-69土壤濕度傳感器。將該模塊通過A0引腳輸出的數字信號與Arduino單片機的A1數字引腳相連，通過數模A/D轉換，以便將模擬信號轉化為數字信號。經過轉換后的A/D值可以通過軟件代碼編寫的換算公式得到電壓值數據，再通過換算公式轉化為土壤的相對濕度。進行A/D轉換的單片機，本系統選用了配備12位ADC的Arduino，使用ADC2的通道2進行操作，并將得出的數據分為100個等份進行等比轉換，從而達到對土壤相對濕度的百分比讀取。

2.2.2 "Wi-Fi網絡通信程序設計

為了實現數據傳輸模塊與云平臺的遠程通信，系統通過連接ESP8266再通過MQTT協議，能夠使得大棚系統與云平臺進行信息互通，并完成TCP連接的構建和數據的收發等任務。ESP8266 NodeMcu進入透傳模式是通過串口通信來完成的。首先，通過AT指令“AT+UART_DEF=115200，8，1，0，0”，設定ESP8266的串口波特率匹配透傳波特率（通常為115 200 bps）；然后，通過微控制器發送AT指令“AT+CIPMODE=1”，設定ESP8266為透傳模式；接著發送AT指令“AT+CIPSEND”，啟動透傳模式的數據發送功能；最后，將需要發送的數據通過串口傳送給ESP8266，數據將被直接傳送到連接的Wi-Fi網絡中。這樣，系統就與云平臺建立了連接，且成功切換至透傳模式。

2.2.3 "執行器控制軟件設計

1）風機控制設計。在本系統設計中，自動模式下的風機控制主要是由溫室大棚內的環境溫度決定。系統會根據用戶在手機端設置的溫度閾值對風機進行智能控制，溫室大棚內的溫濕度傳感器DHT11的響應時間是20～100 μs，因此系統會快速且準確地作出相應的智能決策。

2）補光燈控制設計。光是農作物進行光合作用的必要條件，因此充足且適宜的光照是農作物健康生長的重要因素之一。在本系統設計中，自動模式下的補光控制主要是由溫室大棚內的光照強度決定。正常情況下，日出日落時的光照強度大約是300 lux。對于農作物來說，白天太陽給予的光照強度足夠農作物進行光合作用，為了使農作物能更加高產與健康，系統設置了以300 lux為閾值進行補光智能控制。當大棚內的光照強度小于300 lux時為進入黑夜，補光燈開啟；當大棚內的光照強度大于300 lux時為進入白天，補光燈關閉。

3）加熱片控制設計。在所有的農業相關的系統設計中，加熱片、加熱管等可以提升大棚內部環境溫度的器件，是智慧農業穩定控制農作物產量的設備之一。該設備主要應用于氣溫相對低的北方地區及全部地區任何一個季節都要面臨的晝夜溫差問題，在大棚內放置功能良好的加熱設備可穩定地使大棚提高一定溫度。

4）灌溉控制設計。農作物的健康生長由多種環境因子制約，不同的農作物最適宜的生長環境因素還各具特點。在眾多環境因子中，水分更是重中之重。自然界中任何一個羰基生物都離不開水分的滋潤。但水分的量也要“因地制宜”“因材施教”，對于農作物而言，只有適量的水分能讓其生長最大化。在本系統設計中，自動模式下的灌溉控制主要是由溫室大棚內的土壤濕度決定。

3 "系統應用

管理者與操作者：通過手機端控制大棚設備和查看大棚內溫濕光、小氣象站等傳感器信息。

用戶在這里可以實時監控所有大棚內設備的運行情況、大棚內溫濕光、二氧化碳、土壤溫濕電導率、土壤氮磷鉀的實時數據、用戶當地的天氣預報情況和大棚周邊視頻監控情況等。做到對大棚數據全掌握，并在大棚數據異常的情況下，及時通過監控平臺進行報警，通知用戶及時處理，減免損失。可以遠程控制大棚內設備運行，做到第一時間處理現場情況，安全可靠。

中央監控平臺在用戶大屏控制中心提供一個全方位的監控中心。集中管理，一目了然，各種大棚數據可以集中監控，如發現異常會及時報警。中央遠程控制平臺如圖1所示。

4 "結束語

發展適度的規模化生產管理與采用智能化的溫室大棚是我國現代農業發展的方向。本文以基于物聯網技術的溫室大棚環境智慧控制系統為研究對象，通過數據與測試闡述了溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強度濃度環境因子對農作物生長的影響。本系統設計基于傳感器對溫室大棚內不同環境因子數據的采集，對溫室大棚內風機、水泵、補光燈等相關執行器設備進行遠程控制等功能設計。

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