物聯網智慧農業(yè)控制系統(tǒng)設計

王成旭，陳燕慧

（臨沂大學 機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276005）

0 引 言

在人口增加、人均耕地下降、農田受污染和氣候變遷等大背景下，為滿足未來龐大的農業(yè)生產需求，智慧農耕應運而生，其依據時刻變化的數據，來分析、計算、判斷并執(zhí)行最好的種植方案。

實現“零饑餓”是聯合國列入2030可持續(xù)發(fā)展的目標之一。隨著自然環(huán)境的變化、城市化進程加速，農業(yè)從事者長期流失，人均耕地面積減少，土壤農藥污染嚴重等，僅依賴現有自然條件以及傳統(tǒng)農業(yè)技術，很難支撐2030目標達成?？萍紴檗r業(yè)賦能，幫助突破種植條件限制，全面提升糧食產量。一片田中兩塊土地，土壤水分含量、營養(yǎng)情況、農作物生長情況都可能不同，而傳感器和移動設備等可實現遠程管理農場，同時做到實時監(jiān)測土壤濕度、環(huán)境溫度、作物狀況，獲得精準數據。在肥力高的地方進行密集種植，反之則稀疏種植，播種、給水、施肥、調種等一系列農藝措施都可基于多元數據進行靈活調整，讓土壤和作物處于最佳匹配狀態(tài)。精準農耕的前提，是對所收集數據深入分析，形成農情多元數據圖譜。基于云服務的農情圖譜可以幫助農民迅速得到農作物在不同關鍵生長階段所需的土壤灌溉、肥力需求；還可結合地形特征、氣候預期、病蟲害程度等信息進行產量預估、農作活動安排、預算管理等。多元數據圖譜對農田的狀態(tài)和農業(yè)生產過程提供多維度實時監(jiān)測與分析，在多變環(huán)境中做出敏捷而高效的預警，及時給予多種應對措施的建議、快速鎖定損失區(qū)域并估算后期產量。從而降低突變環(huán)境因素對產量的影響，幫助農民及時止損。

通過ESP-8266WiFi模塊聯網云平臺，將多項傳感器接入物聯網系統(tǒng)，自動控制外接負載狀態(tài)，精準控制農作物的生長環(huán)境保持最佳條件，可達到提高作物產量的效果。采用二氧化碳濃度檢測轉化碳貨幣，助力實現碳中和，釋放傳統(tǒng)農業(yè)的經濟潛能。

智慧農耕還具有根據周圍生產環(huán)境的含碳情況進行準確監(jiān)測的能力，幫助調節(jié)與維持環(huán)境碳平衡，推進碳中和目標實現。貨幣，往往伴隨著該國成為國際貿易中心和金融中心的過程。其中，特別值得強調的是，在貿易活動和金融實踐中，經濟活動與能源貿易的結合度是決定該國貨幣地位的重要因素，能源綁定往往成為國家崛起和本國貨幣充當國際貨幣的助推劑。而碳貨幣正符合當下潮流。通過監(jiān)測碳含量、達標時間，經過一定算法轉化為碳貨幣，可兌換成人民幣。與貨幣相聯系有利于市場的開發(fā)推動，促進碳中和事業(yè)的發(fā)展。

1 智慧農業(yè)控制的特點

本作品采用SEP-8266WiFi模塊做主控芯片，通過編譯相應控制程序，利用Wi-Fi通信功能聯網到云服務器，傳感器設備實時上傳數據信息，實現手機應用無線網絡控制，利用RGB-LED燈環(huán)智能調節(jié)作物生長的最適光譜、光照強度，提高作物產量；利用手機遠程控制，實現驅動外部負載，控制風扇智能降溫、通風換氣，實現智能控溫功能；通過反季水果種植，提升市場競爭力和提升商業(yè)價值；利用傳感器實時檢測，采集土壤濕度信息，并上傳到云平臺；利用傳感器實時檢測，繼電器控制水泵，自動添加營養(yǎng)液，實現自動灌溉功能；檢測土壤pH酸堿度，調節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境，提高產能；二氧化碳傳感器實時采集監(jiān)控二氧化碳濃度信息，計算碳減量，換算碳貨幣，助力實現碳中和；太陽能發(fā)電板供電，為控制系統(tǒng)提供能原動力。

2 系統(tǒng)硬件電路的設計

系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。該智慧農業(yè)設計由太陽能發(fā)電板供電，為控制系統(tǒng)提供能原動力。控制模塊以ESP-8266WiFi模塊為主控元件，外圍模塊主要由土壤濕度傳感器模塊、土壤pH酸堿度分析計、溫濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、外接負載、自動灌溉水泵、燈光控制電路等組成，ESP-8266WiFi模塊進行土壤濕度、土壤pH酸堿度、環(huán)境溫濕度數據采集，聯網后將傳感器的數據發(fā)送到云平臺，傳輸到手機軟件實時顯示，并驅動外接負載模塊，實現智慧農業(yè)的智能化控制。

圖1 系統(tǒng)硬件電路組成框圖

系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。該電路圖由MCU主控電路、LED彩燈照明電路、土壤檢測模塊、溫濕度采集模塊、二氧化碳檢測模塊、繼電器控制電路和繼電器模塊、OLED顯示屏、電源電路、下載電路、蜂鳴器模塊組成。主控MCU選擇了安信可科技提供的ESP8266-12模塊，有多路GPIO引腳做數據傳輸使用，LED照明電路由WS2812B智能燈珠排列的點陣組成，智能控制顏色和亮度，土壤檢測模塊封裝數據接口，可外接土壤水分傳感器（RS-SD-I20-TR）、pH酸堿度傳感器進行信息采集。溫濕度采集模塊由DHT11溫濕度傳感器構成，二氧化碳檢測由MH-Z19B模塊組成，繼電器控制電路和繼電器模塊由5 V繼電器SRD-05VDCSL-C組成，屏幕采用0.96寸IIC 4路OLED顯示屏，電源電路采用USB3.1 type-c接口，下載電路、蜂鳴器電路使用傳統(tǒng)接線方式，輔助下載程序，發(fā)出警報，達到預期效果。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.1 控制系統(tǒng)控制器

控制器采用的是ESP8266WiFi模塊，ESP8266是上海樂鑫信息科技設計的低功耗Wi-Fi芯片，集成完整的TCP/IP協議棧和MCU。ESP8266模塊是深圳安信可公司基于ESP8266芯片研發(fā)的串口Wi-Fi模塊，有低成本、易操作、功能強大等特點。ESP8266硬件接口豐富，支持IIC、UART、PWM、ADC、GPIO等，適用于各種物聯網應用場合?？赏ㄟ^Arduino編程開發(fā)，編制相應的控制程序，驅動外界負載。接收多項傳感器采集信號，發(fā)送到云平臺，連接到手機軟件做控制器。

2.2 數據采集電路

智慧農業(yè)設計的數據采集電路由土壤濕度傳感器模塊、土壤pH酸堿度分析計、溫濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊組成。多項傳感器將所測數據通過ESP-8266WiFi發(fā)送阿里云平臺，阿里云物聯網平臺提供安全、穩(wěn)定、高效的設備通信能力，具有低成本、高可靠、高安全、高性能等優(yōu)勢，支持設備數據采集后上傳云服務器，規(guī)則引擎流轉數據和云端數據下發(fā)設備端。提供方便快捷的設備管理能力，數據結構化存儲和遠程調試、監(jiān)控、運維。無須自建物聯網基礎設施即可接入各種主流協議設備。通過互聯網實現手機應用實時顯示土壤濕度、酸堿度，環(huán)境溫濕度數據等狀態(tài)信息。

2.3 數據輸出電路

物聯網數據輸出電路由水泵、外接負載模塊、燈光控制模塊、信息顯示屏組成；繼電器控制水泵，可自動添加營養(yǎng)液，實現自動灌溉功能；利用手機遠程控制，實現驅動外部負載，控制風扇智能降溫、通風換氣，實現智能控溫功能，實現反季水果種植，提升市場競爭力，提升商業(yè)價值；利用RGB-LED燈環(huán)智能調節(jié)作物生長的最適光譜、光照強度；檢測土壤pH酸堿度，調節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境，提高產能；二氧化碳傳感器實時監(jiān)控、采集二氧化碳濃度信息，將信息發(fā)送到顯示屏，計算碳減量，換算碳貨幣，助力實現碳中和。

3 系統(tǒng)主程序設計

主程序流程圖如圖3所示。接通電源，ESP8266模塊自動Wi-Fi聯網，利用Wi-Fi通信功能聯網到云服務器，通過手機應用實現無線網絡控制，傳感器設備實時上傳數據信息。通過點燈科技APP搭建相應的軟件功能模塊，實現手機應用無線網絡控制，利用RGB-LED燈環(huán)智能調節(jié)作物生長的合適光譜、光照強度，控制風扇智能降溫、通風換氣，實現智能控溫功能，增加農作物品類，利用傳感器實時檢測、采集土壤濕度信息，上傳到阿里云平臺；智能控制繼電器開關水泵，實現自動灌溉功能；檢測土壤pH酸堿度，調節(jié)植物最適生長酸堿環(huán)境；二氧化碳傳感器實時采集監(jiān)控二氧化碳濃度信息。

圖3 ESP-8266主程序流程圖

4 結 論

本文研究的物聯網智慧農業(yè)設計，利用ESP-8266WiFi模塊與多項傳感器結合實現智能聯網功能。采集土壤濕度、酸堿度信息，通過算法自動控制灌溉水泵添加營養(yǎng)液；采集環(huán)境溫濕度信息，驅動外接負載智能控溫；精準控制農作物的土壤pH酸堿度、土壤水分、溫度、光照強度、最適光譜等，使作物生長環(huán)境保持最佳條件，達到提高作物產量的效果。通過二氧化碳濃度檢測，計算單位時間的碳減量，換算碳貨幣，釋放傳統(tǒng)農業(yè)的經濟潛能，助力實現碳中和。