基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳 根 ，易治國(guó)

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000；2.湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412000）

0 引言

溫室大棚對(duì)于調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要作用[1-2]，特別在冬季，由于溫度低、光照不足，露天種植作物存在生長(zhǎng)慢、長(zhǎng)勢(shì)差等問(wèn)題。研究表明，大棚溫度、濕度、光照強(qiáng)度是衡量大棚質(zhì)量的重要指標(biāo)，其直接影響土壤變化、幼苗栽培、植物生長(zhǎng)及作物產(chǎn)量[3-4]。因此，需要加強(qiáng)對(duì)大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。然而，傳統(tǒng)大棚常常需要工作人員定期巡檢，這種方式存在效率低、費(fèi)用高、時(shí)間滯后等缺陷[5]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，課題組設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器，利用溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度信息采集，利用濕度傳感器YL-69實(shí)現(xiàn)濕度信息采集，利用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)光照信息采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線上傳至云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)管。當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，一方面可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器和平臺(tái)端網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行報(bào)警，另一方面可通過(guò)電阻絲、風(fēng)扇和水泵進(jìn)行加熱加濕或降溫除濕。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由大棚環(huán)境參數(shù)感知層、大棚環(huán)境參數(shù)傳輸層、大棚環(huán)境參數(shù)應(yīng)用層等組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1）大棚環(huán)境參數(shù)感知層：感知層以STM32單片機(jī)為核心，通過(guò)外接傳感器實(shí)現(xiàn)大棚溫度、濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

2）大棚環(huán)境參數(shù)傳輸層：各測(cè)量終端將采樣到的環(huán)境參數(shù)通過(guò)CAN總線發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)。

3）大棚環(huán)境參數(shù)應(yīng)用層：應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量終端硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量終端實(shí)現(xiàn)了大棚溫度、濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量終端硬件由STM32F103C8T6單片機(jī)、光敏傳感器、溫度傳感器DS18B20、報(bào)警模塊、濕度傳感器YL-69、LCD1602、電阻絲、風(fēng)扇、泵機(jī)等組成。測(cè)量終端硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.2 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用直接數(shù)字信號(hào)輸出式傳感器DS18B20。該數(shù)字溫度傳感器具有體積小、測(cè)溫精度高、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，采用1-Wire單總線協(xié)議[6]，和單片機(jī)完成雙向通信僅需要一條Data數(shù)據(jù)線。該溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 溫度傳感器DS18B20的接口電路

2.3 濕度采集模塊設(shè)計(jì)

濕度采集模塊選擇濕度傳感器YL-69，其原理為濕敏電容。當(dāng)環(huán)境濕度升高時(shí)，電容值升高，輸出電壓也升高，同時(shí)輸出電壓值與濕度值在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[7-8]。由于該單片機(jī)內(nèi)置有A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此將該傳感器的AO接口（模擬量輸出接口）與單片機(jī)的PA1接口（ADC接口）相連。濕度傳感器YL-69與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

圖4 濕度傳感器YL-69的接口電路

2.4 光照采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用光敏電阻測(cè)光電路實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚光照的采集[9-10]，光照采集電路如圖5所示。RL為光敏電阻，R1為分壓電阻。單片機(jī)外接三個(gè)按鈕，其中，按鈕1為狀態(tài)切換按鈕，通過(guò)按鈕1可將狀態(tài)切換為溫度閾值調(diào)整、濕度閾值調(diào)整或光照閾值調(diào)整；按鈕2用于減小設(shè)定閾值；按鈕3用于增大設(shè)定閾值。

圖5 光照采集電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由初始化模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照采集模塊、LCD1602顯示模塊、控制模塊、故障報(bào)警模塊等七個(gè)軟件子模塊組成，其工作流程如圖6所示。系統(tǒng)軟件工作步驟如下：1）系統(tǒng)上電，單片機(jī)對(duì)各寄存器和I/O口進(jìn)行初始化；2）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)溫度傳感器DS18B20對(duì)大棚土壤溫度進(jìn)行采樣；3）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)濕度傳感器YL-69對(duì)土壤濕度進(jìn)行采樣；4）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)光敏傳感器對(duì)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行采樣；5）將采樣到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度顯示在LCD1602上；6）將采樣到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡(luò)；7）判斷大棚內(nèi)溫度、濕度和光照強(qiáng)度是否超過(guò)設(shè)定閾值。若超過(guò)設(shè)定閾值，則啟動(dòng)控制模塊工作；若沒(méi)有超過(guò)設(shè)定閾值，則返回步驟2開(kāi)始下一個(gè)工作流程。

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)元器件進(jìn)行焊接調(diào)試，實(shí)現(xiàn)硬件功能，然后將編寫好的C程序下載至硬件并開(kāi)展聯(lián)調(diào)聯(lián)試，實(shí)現(xiàn)軟件功能，監(jiān)控終端實(shí)物如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

監(jiān)控云平臺(tái)在已有的設(shè)備在線平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，該軟件平臺(tái)僅需拖拽現(xiàn)有可視化組態(tài)即可生成監(jiān)控界面，監(jiān)控界面可實(shí)時(shí)顯示大棚溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面圖

5 結(jié)論

課題組設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度等影響溫室大棚蔬果種植因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，極大地提高了大棚管理效率。