溫室大棚環(huán)境監(jiān)測仿真系統(tǒng)設(shè)計概述

杜偉 焦雪燕 黃良帥

摘 要 近年來，傳統(tǒng)的溫室大棚面臨著管理成本急劇增長等挑戰(zhàn)。為了解決上述問題，研究并設(shè)計了一套以STM32為主控芯片的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合傳感器和智能控制技術(shù)，模擬了對溫室大棚的一些基本環(huán)境因子的監(jiān)測，并通過無線傳輸技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)上傳至OneNET平臺，可根據(jù)實際需要對溫室環(huán)境進行自主調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)植物生長習性的不同而調(diào)整環(huán)境閾值，可以適用于不同的種植環(huán)境。

關(guān)鍵詞 溫室大棚;環(huán)境監(jiān)測;智能控制;云平臺

Design of Environmental Monitoring Simulation System for Greenhouse*

Du Wei Jiao Xueyan Huang Liangshuai Yao Lixuan Gong Xiugang

School of computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255049， China

Abstract In recent years， traditional greenhouses have faced challenges such as rapidly increasing management costs. In order to solve the above problems， a set of greenhouse greenhouse environment monitoring simulation system with STM32 as the main control chip was designed. The system combines sensors and intelligent control technology， simulates the monitoring of some basic environmental factors in the greenhouse， and uploads the collected data to the OneNET platform through wireless transmission technology， which can independently adjust the greenhouse environment according to actual needs. The system can adjust the environmental threshold according to different plant growth habits， and can be applied to different planting environments.

Key words Greenhouse; Environmental monitoring; Intelligent control; Cloud platform

引言

近年來，由于缺乏科學高效的管理方法，大多數(shù)的傳統(tǒng)農(nóng)戶是根據(jù)自身經(jīng)驗和簡易設(shè)備來對溫室環(huán)境進行調(diào)節(jié)，而且缺少智能化和機械化的結(jié)構(gòu)設(shè)施，需要大量人力資源進行管理，稍有不慎便會造成經(jīng)濟損失。溫室大棚環(huán)境監(jiān)測仿真系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及與云平臺的數(shù)據(jù)共享，可以實現(xiàn)少數(shù)人使用終端設(shè)備來實時監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)并實行相對應(yīng)的遠程智能控制。能幫助管理者及時掌握溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)并加以調(diào)控，降低經(jīng)濟損失和管理成本。

1 系統(tǒng)組成

本次開發(fā)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測仿真系統(tǒng)以STM32F103RET6單片機作為主控制器，外圍主要包括OneNET網(wǎng)絡(luò)平臺、數(shù)據(jù)采集模塊和智能控制模塊三部分。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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系統(tǒng)主要功能為通過已安裝的外圍傳感器來實時精確地采集當前溫室大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度和光照強度等一系列對溫室農(nóng)作物生長具有影響的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過STM32單片機連接的ESP8266 WIFI無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET平臺。利用OneNET平臺的開放資源，在用戶自創(chuàng)建的應(yīng)用中以圖表的方式來實時更新當前溫室內(nèi)的環(huán)境信息。同時可以通過實時比較已采集到的數(shù)據(jù)值與人為設(shè)定的閾值之間的差距，使用用戶端應(yīng)用內(nèi)的按鈕遠程控制大棚內(nèi)的補光燈、水管和風扇的使用，實現(xiàn)溫室內(nèi)環(huán)境智能化的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊綜合價格低，靈敏度高，輸出穩(wěn)定等考慮選用了MG811電解質(zhì)二氧化碳傳感器，在此系統(tǒng)中我們選擇其TTL電平輸出?；谙到y(tǒng)出于仿真的考慮和實行的復雜性和性價比，選用了精度相對適中的YL-69土壤濕度傳感器。在溫濕度和光照強度采集方面，由于直接選用數(shù)字輸出的傳感器可以去除模數(shù)轉(zhuǎn)換的復雜過程，分別選用了DHT11和GY-30。其采集原理均為檢測STM32I/O口的高低電平。在設(shè)計時將蜂鳴器的響聲作為接入云平臺的提示音，所以系統(tǒng)工作時只需等待蜂鳴器發(fā)出“滴”的聲音。單片機所連接的傳感器通過UART串口通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，并保存在單片機的儲存卡中，完成溫室環(huán)境因子的采集。

2.2 智能控制模塊

系統(tǒng)需要使用大量的繼電器，其連接方式如下：繼電器的IN口與單片機的I/O口直接相連接，NO口和COM口分別與12V電源和外圍機械相連接，使得繼電器、電源和外圍機械連接成一個閉合回路。其控制原理為：將上層命令轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，根據(jù)數(shù)值的不同控制單片機I/O口輸出的高低電平，分別對應(yīng)著繼電器的通斷狀態(tài)，從而間接地控制風扇、水管、燈泡等外圍機械設(shè)備的使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 接入平臺設(shè)置

系統(tǒng)需要通過第三方API接口來接入OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺。本系統(tǒng)需要首先確認工作環(huán)境下的可以使用的WIFI網(wǎng)絡(luò)，在代碼中無線傳輸模塊相應(yīng)的AT指令下寫入將要連接的WIFI名稱和密碼。系統(tǒng)接入時選用了一種基于TCP的長連接協(xié)議——EDP協(xié)議[1]。即在云平臺創(chuàng)建基于EDP協(xié)議連接的設(shè)備產(chǎn)品[2]。然后在平臺接入?yún)f(xié)議的代碼中找到設(shè)備的ID和APIkey，修改至與所創(chuàng)建設(shè)備的相關(guān)信息一致。如果OneNET平臺的設(shè)備管理列表中顯示設(shè)備在線，則成功接入平臺網(wǎng)絡(luò)。其連接原理為：STM32單片機通過ESP8266模塊接入環(huán)境中存在的WIFI網(wǎng)絡(luò)，利用連接的WIFI間接連接OneNET平臺，實現(xiàn)上網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互的功能。

3.2 GUI應(yīng)用模塊

本系統(tǒng)采用了OneNET平臺提供的應(yīng)用界面。等待設(shè)備上線后，傳感器采集到的數(shù)據(jù)將通過無線傳輸模塊上傳到OneNET平臺。用戶在創(chuàng)建的應(yīng)用里可以看到圓盤表和折線圖式的數(shù)據(jù)。等待主控板設(shè)備上線成功，打開已創(chuàng)建的與主控板發(fā)送的數(shù)據(jù)流相關(guān)聯(lián)的API應(yīng)用，數(shù)據(jù)會顯示在應(yīng)用上，也可以通過應(yīng)用對主控板實現(xiàn)反向的控制。

應(yīng)用控制原理如下：通過平臺比較獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)和人為在應(yīng)用中設(shè)置的閾值的差異，來向設(shè)備發(fā)送字符串命令，主控板收到平臺下發(fā)的命令后進行解包，按下應(yīng)用中OFF和ON的按鈕，將對應(yīng)下發(fā)不同的字符串命令，字符串命令在單片機內(nèi)經(jīng)程序轉(zhuǎn)化為1和0的數(shù)值。若轉(zhuǎn)化后的數(shù)值為1，則控制繼電器的閉合，外圍設(shè)備便會與電源接通并進行工作。反之轉(zhuǎn)化為0，則控制繼電器斷開，設(shè)備失去電力供應(yīng)便停止工作。其部分數(shù)據(jù)顯示及控制應(yīng)用如圖2所示。

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4 結(jié)束語

本仿真系統(tǒng)模擬了對溫室中能夠影響農(nóng)作物生長的主要環(huán)境因素的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，而且借助免費的云平臺應(yīng)用，使其能夠在網(wǎng)頁端以圖表的形式顯示，易于觀察和記錄。同時能夠根據(jù)農(nóng)作物的不同，改變各環(huán)境影響因素的閾值并加以遠程環(huán)境調(diào)控，可以定制于多種不同習性的農(nóng)作物的種植。后期此系統(tǒng)也可進一步的完善，實現(xiàn)對模塊的分立控制，能源的消耗將有效降低。同時可以完善應(yīng)用并進行后期的數(shù)據(jù)分析，使管理者更好地了解農(nóng)作物的生長狀態(tài)，以便于及時做出控制調(diào)整。

參考文獻

[1]孫忠祥.基于設(shè)備云平臺的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2017.

[2]肖蕾，劉威，黃慧明.多場景環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2019（6）：96-100，105.

作者簡介：

杜偉（2000-），男，山東菏澤人;學歷：本科三年級，畢業(yè)院校：山東理工大學在校生，山東理工大學在讀，專業(yè)：通信工程，研究方向：通信工程。

焦雪燕（1997-），女，山東濱州人;學歷：本科四年級，山東理工大學在讀，專業(yè)：計算機科學與技術(shù)，研究方向：計算機科學與技術(shù)。

黃良帥（1999-），男，山東濟寧;學歷：本科三年級，畢業(yè)院校：山東理工大學在讀，專業(yè)：計算機科學與技術(shù)，研究方向：計算機科學與技術(shù)。

姚力煊（1998-），男，山東榮成人;學歷：本科三年級，畢業(yè)院校：山東理工大學在讀，專業(yè)：計算機科學與技術(shù)，研究方向：計算機科學與技術(shù)。