基于開源鴻蒙操作系統的物聯網溫室大棚控制系統

摘 要：為解決傳統農業大棚產能效率低、穩定性不足及智能化程度低等問題，設計了一套基于開源鴻蒙操作系統的物聯網溫室大棚控制系統。該系統集成物聯網技術，依托各類傳感器和嵌入式設備，以采集大棚生長環境數據；將采集的數據通過騰訊云傳輸到微信小程序，進行實時監測并存儲；通過對比標準生長環境參數與實時生長環境參數，執行自動灌溉、調光、加熱、通風等操作，以調節大棚內部環境。實驗結果表明：該系統能遠程監測和控制溫室大棚內部的環境，使農作物在適宜的環境中生長。通過溫室大棚的自動化控制，為物聯網農業的發展提供參考。

關鍵詞：物聯網；實時監測；騰訊云；數據庫；MQTT；開源鴻蒙操作系統

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-05

0 引 言

隨著物聯網信息技術的迅速發展，我國農業生產正朝著數字化、精確化和智能化的方向轉變。作為農業生產大國，農業在我國的經濟發展中起著不可替代的作用[1]。然而，現有的農業大棚種植大多仍采用傳統的種植方式。該方法智能化程度低，嚴重依賴人力操作，使種植者無法準確獲取農作物的實時數據，難以進行科學管理。因此，國內亟需推動農業大棚種植的升級轉型。文獻[2]基于ZigBee設計了一種智能農業大棚系統，能夠滿足系統的穩定性和測量精度要求，但是歷史測量數據不能存儲于數據庫中，因此無法根據歷史環境數據分析環境對農作物產生的影響。文獻[3]基于霧計算設計了一種溫室智能感控系統，提升了大棚的自適應調節能力。文獻[4]基于NB-IoT無線通信技術設計了一種農作物大棚檢測系統，文獻[5]基于LoRa設計了一種溫室大棚監控系統。這兩種系統均對大棚中的數據進行采集處理，但是沒有涉及移動端的設計。因此，本文采用具有協議簡潔、 可擴展性強、速度快、實時性好等特點的MQTT傳輸協議[6]和騰訊云平臺，設計了基于OpenHarmony的物聯網溫室大棚控制系統，并且以微信小程序作為移動端，對環境進行實時監測，并采集大棚內的數據[7]。該系統能夠提供準確的農作物生長數據，最大程度滿足農作物的生長需求。物聯網溫室大棚控制系統的應用將為農業生產帶來巨大的改變和提升。

1 系統總體設計

物聯網溫室大棚控制系統基于OpenHarmony操作系統，采用WiFi作為無線數據通信方式。系統由智能傳感器、嵌入式設備、攝像設備和微信小程序組成。在該系統中，Hi3861微處理器扮演環境主控板的角色，通過與各傳感節點建立數據通信連接，實現了對大棚生長環境數據的高效采集。該微處理器充當網絡傳輸總節點的角色，負責將采集的數據傳送至騰訊云數據庫，并通過微信小程序顯示。這一系統架構能夠準確采集和便捷展示農作物生長環境數據，為用戶提供全面的監測與管理功能。同時，Hi3861還負責處理各傳感節點采集的數據、云服務器下發的天氣信息和攝像設備拍攝的農作物影像。系統根據這些數據，針對大棚中發生的環境變化和病蟲害，采取相應的措施。此外，Hi3861還可分析大棚中農作物的生長情況，并營造最適合當前農作物生長的環境。系統網絡結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 供電模塊設計

該系統采用交流220 V電源和太陽能輔助電源供電。交流220 V電源是系統主要的供電來源，但由于溫室大棚通常位于供電系統薄弱的郊區，而系統的穩定性受惡劣天氣的影響較大，因此大幅增加了斷電的概率。為了彌補斷電時大棚無法用電的缺陷，系統引入了太陽能蓄電池輔助供電。系統通過對太陽能轉化后的電能的收集和儲存，使得大棚在外部斷電的情況下也能夠保持穩定運行。此外，系統還配備了GSM模塊，能夠向管理人員發送短信，提醒其及時采取應對措施。

2.2 傳感器模塊選型

環境數據采集模塊主要通過各類傳感器收集大棚中的環境數據，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、二氧化碳體積分數、土壤濕度和pH等[8]，這些環境參數對于農作物的生長有著重要的影響。傳感器模塊原理如圖2所示[9]。

選用SHT30溫濕度傳感器進行空氣溫濕度檢測。該傳感器溫度測量精度可達±0.3 ℃，支持I2C通信，測量誤差小，功耗低，穩定可靠。

選用SGP30二氧化碳傳感器監測二氧化碳體積分數。該傳感器內部集成了4個氣體傳感元件，可以完全校準空氣質量輸出信號，具有計算準確、反應靈敏和性能穩定等特點，且內置穩壓芯片，通過提供的I2C通信接口，可準確獲取大棚內的二氧化碳體積分數。

選用土壤綜合傳感器檢測土壤濕度。該傳感器支持12～24 V的工作電壓，提供RS 485總線接口，采用電磁式非接觸測量方式，具有強穩定性、長壽命和高精度等特點，可準確獲取土壤濕度。

選用GY-20數字型光照強度傳感器模塊檢測光照強度。該模塊采用BH1750FVI芯片，支持3～5 V工作電壓，提供I2C總線接口，內置16 bit A/D轉換器，擁有接近于視覺靈敏度的分光特性，光照強度檢測精度[10]可達±1 lx。

2.3 主控模塊設計

主控模塊的主要功能是控制下發指令和上傳采集模塊采集的環境數據。環境主控板采用Hi3861微處理器。Hi3861是海思技術有限公司出品的一款物聯網芯片，具有低功耗、高集成度等特點。它集成了WiFi和藍牙功能，支持WiFi 802.11b/g/n標準和藍牙4.2標準，可通過AT指令配置MQTT協議與騰訊云平臺連接。Hi3861功能如圖3所示。

在該設計中采用RS 485和I2C通信相結合的方式連接主控制器Hi3861和傳感器模塊。傳感器模塊將采集的環境數據轉換為數字數據后，通過I2C總線和RS 485總線將數據傳輸到主控制器Hi3861中；主控制器Hi3861將傳感器采集的數據進行處理并上傳到騰訊云服務器。傳感器連接電路如圖4所示。

2.4 開源鴻蒙操作系統

OpenHarmony是由華為技術有限公司出品的操作系統，旨在滿足物聯網、人工智能等新興技術領域的需求。它采用微內核設計和分布式架構，使得硬件資源可以根據需求動態分配，提高了系統整體的靈活性和響應速度。OpenHarmony操作系統具有模塊化的特點，允許開發者根據實際需求選擇使用部分或全部組件，便于定制化開發。這為物聯網溫室大棚設計提供了極大的便利。此外，OpenHarmony注重安全性，內置了多種安全防護措施，如訪問控制、權限管理、加密通信等，能夠確保大棚數據的安全。

2.5 環境控制模塊設計

Hi3861環境主控板承擔著對加熱器、通風扇、滴灌系統以及調光膜等設備的控制任務。攝像模塊負責捕捉農作物影像數據，隨后將數據傳輸至騰訊云服務器。在云服務器上對農作物的影像數據進行處理，以識別當前作物所處的生長期。云服務器根據數據庫中存儲的農作物各個時期最適生長環境數據，確定當前生長期的最適生長環境參數，并將其下發至環境主控板。

環境主控板收到云服務器下發的最適生長環境參數后，及時調節大棚中各類設備，以確保農作物在理想的生長條件下生長。同時，大棚管理人員可以通過微信小程序實時監測大棚內部環境和控制大棚內各種設備的運行狀態。他們還有權修改云服務器下發到環境主控板的農作物生長環境參數，以便根據實際情況進行靈活調整。

通過這一系統，大棚實現了自動控制的最優生產方式。這種智能化的農業管理系統不僅提高了生產效率，還為用戶提供了更便捷、更精準的生產管理手段。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括主程序和環境采樣程序，即空氣溫濕度采樣程序、二氧化碳體積分數采樣程序、光照強度采樣程序、土壤濕度采樣程序、網絡通信程序和各設備控制程序。

3.1 系統主程序設計

系統選用華為海思出品的DevEco作為開發環境，采用C語言作為編程語言。系統上電后，對各模塊進行初始化，并連接大棚內WiFi。連接成功后，Hi3861等時間間隔驅動各傳感器采集并處理環境數據，根據云平臺下發的農作物最適生長環境參數來控制各設備。同時，Hi3861將環境數據上傳至騰訊云。成功上傳后用戶可在微信小程序上查看。主程序流程如圖5所示。

3.2 農作物識別算法設計

農作物在生長過程中會受到外界因素的影響，可能導致農作物產生各種疾病，使得農作物產量降低，對以農業為基礎的經濟造成影響。為能夠及早診斷農作物病害，使農民能夠及時采取應對措施，避免進一步損失，本文設計了一種基于卷積神經網絡的農作物病蟲害識別方法，并搭建了農作物病蟲害識別軟件平臺[11]。

獲取數據集，選擇YOLOv5s作為檢測網絡，并引入k-Means++獲取目標框，使得檢測結果更加貼合葉片的實際情況，同時降低網絡模型負擔，使模型輕量化；優化C3模塊，將Neck模塊中的PANet改為BiFPN；選擇Inception-ResNet-v2模型進行病蟲害識別，保證對于多種葉片病害具有較好的識別效果；引入SENet注意力機制改進網絡模型，提升病蟲害種類識別準確度。

4 騰訊云平臺搭建

騰訊云平臺是騰訊計算機系統有限公司為廣大開發者提供的云平臺。在微信開發者工具中，創建產品和設備，以密鑰方式認證。使用MQTT協議完成硬件平臺與客戶端的通信，利用微信小程序提高用戶使用的便捷性。以騰訊云平臺為媒介將硬件平臺與客戶端聯系起來，硬件平臺和客戶端可通過云平臺訂閱主題。當有數據上傳或者命令下發時，云平臺自動為訂閱設備推送消息。

注冊微信小程序賬號，登錄微信小程序后，在微信開發者工具中進行相關開發。完成密鑰認證后，配置當前環境。微信小程序登錄界面如圖6所示。

5 系統調試

在調試過程中，溫室大棚管理系統可以正常工作。在微信小程序界面輸入賬號和密碼，即可進入設備管理界面。界面利用卡片形式展現，各卡片分別代表棚內各項環境參數，下方3個開關分別控制加熱扇、通風扇和水泵的開啟與關閉。微信小程序界面如圖7所示。

測試系統的環境自動調節性能。在測試過程中，每間隔2 h監測1次。測試后得到的空氣溫濕度、土壤濕度和光照強度數據分別見表1～表4。

從測得的數據分析可知，空氣溫濕度、土壤濕度和光照強度的平均誤差分別為±2.24 ℃、±4.82%、±2.82%和±37.4 lx。由此可知，系統的測量精度及數據完整性能夠確保物聯網溫室大棚正常運行。

6 結 語

本文設計的基于OpenHarmony的物聯網溫室大棚控制系統完成了數據采集、數據庫存儲、遠程監控、環境參數自動調節等功能，滿足了大棚的種植要求。用戶可以隨時在微信小程序上查看大棚當前的環境狀況，并查看各環境調控設備的運行狀態。系統可以直接控制各個環境設備運行，為農作物營造良好的生長環境。該系統不僅節約了資源，提高了產能，還順應了萬物互聯的發展趨勢，為農業生產提供智能化、精準化、可視化保障。

參考文獻

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