淺談塞北地區(qū)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

續(xù)劍英，張奧，賈超，侯彥澤

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116092）

1 前言

農(nóng)業(yè)大棚是一種人工建造的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，在延伸種植季節(jié)、保護(hù)環(huán)境、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和促進(jìn)科技創(chuàng)新等方面為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了許多積極的影響和發(fā)展機(jī)會(huì)。溫度對(duì)農(nóng)業(yè)大棚具有重要性，它影響著作物的生長(zhǎng)與發(fā)育、抗逆能力、病蟲(chóng)害控制、資源利用以及生產(chǎn)的穩(wěn)定性?？茖W(xué)合理地控制溫度，將有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、保障糧食安全，促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

從整體來(lái)看，盡管我國(guó)是溫室種植的發(fā)源地之一，但在城市化建設(shè)逐漸加速的情況下，我國(guó)可耕種土地的面積呈逐年減小的趨勢(shì)。從2004年開(kāi)始，我國(guó)政府連續(xù)16年發(fā)布了以農(nóng)業(yè)為主題的中央一號(hào)文件，而最新的《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中，國(guó)務(wù)院提出了強(qiáng)化生產(chǎn)效能的重點(diǎn)設(shè)備節(jié)能措施，積極推動(dòng)綠色低碳循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，支持設(shè)施農(nóng)業(yè)等低碳農(nóng)業(yè)模式。這對(duì)于我國(guó)正處于由傳統(tǒng)的“粗放、低效率的生模式”向“精細(xì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式”過(guò)渡的設(shè)施農(nóng)業(yè)，提出了更高的要求。

文本構(gòu)建了一套以樹(shù)莓派為主體的農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在面對(duì)棚內(nèi)溫度超出設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制并驅(qū)動(dòng)棚內(nèi)設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得棚內(nèi)作物生長(zhǎng)保持在適宜的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以集成能源管理模塊，監(jiān)測(cè)和控制溫室內(nèi)的能源消耗。通過(guò)合理調(diào)控加熱器、通風(fēng)設(shè)備等能耗設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間和功率，系統(tǒng)可以降低能源消耗，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文提出的控制系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的溫度變化。主控制器（樹(shù)莓派）會(huì)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整遮陽(yáng)布、加熱器、通風(fēng)窗等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以維持理想的環(huán)境條件。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了云平臺(tái)和終端設(shè)備，使操作人員可以直觀地查看數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣，操作人員可以及時(shí)了解農(nóng)業(yè)大棚的溫度情況，做出相應(yīng)的調(diào)整，確保作物得到良好的生長(zhǎng)環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了便捷和智能化的解決方案（圖1）。

圖1 溫控系統(tǒng)整體框架

在本設(shè)計(jì)方案中，溫控系統(tǒng)的整體框架以中央控制器為核心，中央控制器部分選用了樹(shù)莓派，通過(guò)溫度傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)將傳送至樹(shù)莓派，樹(shù)莓派會(huì)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并根據(jù)對(duì)比設(shè)定閾值的比較結(jié)果驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，達(dá)到對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)合理調(diào)節(jié)的目的。

同時(shí)，利用通訊模塊傳遞采集參數(shù)信息至云平臺(tái)直觀地展示了所檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)定的溫度范圍。此外，其歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析功能，可提供數(shù)據(jù)報(bào)表和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，通過(guò)手機(jī)等終端設(shè)備，幫助用戶(hù)更好地了解大棚環(huán)境變化規(guī)律和作出相應(yīng)的調(diào)整。這樣的設(shè)計(jì)使得農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境能夠達(dá)到農(nóng)作物最適宜生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、效率高，同時(shí)也能有效節(jié)約資源。溫控系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫控系統(tǒng)的硬件組成

2.2 溫控模塊設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊選型。本設(shè)計(jì)方案采用了RS485型溫濕度變送器來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚的溫度數(shù)據(jù)。該設(shè)備通過(guò)485信號(hào)輸出數(shù)據(jù)，具有更高的測(cè)量精確度。為了實(shí)現(xiàn)與樹(shù)莓派的通信，我們使用了MAX485芯片來(lái)完成485信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，我們可以準(zhǔn)確地獲取農(nóng)業(yè)大棚的溫度數(shù)據(jù)，并將其傳輸給樹(shù)莓派進(jìn)行處理和控制。這樣的方案可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并提供穩(wěn)定可靠的通信連接，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

MAX485是一款常用于RS-485通訊的芯片，其端口功能如表1所示。

表1 芯片引腳接線

A線和B線為差分信號(hào)線，用于RS-485通訊的數(shù)據(jù)傳輸；RO（Receiver Output）為接收器輸出端口，用于輸出經(jīng)過(guò)解調(diào)的接收數(shù)據(jù)信號(hào)；DI（Driver Input）為驅(qū)動(dòng)器輸入端口，用于輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)；供電端口VCC連接正極電源，GND連接負(fù)極地線。

通過(guò)以上端口的合理連接，可實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。

RS485型溫濕度變送器的重要性能指標(biāo)有：供電電源，設(shè)定10～30（DC）；刷新時(shí)間，設(shè)定1s；檢測(cè)范圍，包含溫度（-40～+80℃），濕度（0%RH～100%RH）；信號(hào)輸出，為RS485。

（2）云端環(huán)境配置。智能農(nóng)業(yè)是一種以應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)和創(chuàng)新為解決方案的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，旨在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低資源消耗、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。智能農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，將傳感器、自動(dòng)化設(shè)備等應(yīng)用于農(nóng)田管理、養(yǎng)殖業(yè)和溫室種植等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)管理和優(yōu)化決策。

本文提出的農(nóng)業(yè)大棚溫控系統(tǒng)利用阿里云平臺(tái)與樹(shù)莓派進(jìn)行關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例并添加設(shè)備，在樹(shù)莓派上配置連接，并通過(guò)API上傳數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，API是一種定義了功能和數(shù)據(jù)交互規(guī)則的接口，為開(kāi)發(fā)者提供了更方便、高級(jí)的接口和工具，用于快速構(gòu)建應(yīng)用程序。首先將樹(shù)莓派接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，選擇Python語(yǔ)言作為樹(shù)莓派的編譯語(yǔ)言，Python 3支持MQTT需要以Paho-MQTT的庫(kù)的支持為基礎(chǔ)，建立物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接的主要流程如圖3所示。

圖3 樹(shù)莓派連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的步驟

（3）中央處理器選型。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將樹(shù)莓派3B+作為系統(tǒng)的中央處理器，樹(shù)莓派3B+采用了Broadcom BCM2837B0 SoC（System on a Chip），內(nèi)置1.4GHz的64位四核ARM Cortex-A53處理器，性能相較前代有所提升。同時(shí)具有40個(gè)引腳（GPIO引腳），這些引腳可以用于連接外部設(shè)備，拓展樹(shù)莓派的功能。其中，引腳接口的分配如表2所示。

表2 相關(guān)引腳/接口的分配

程序運(yùn)行成功后，設(shè)備將接入阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)通信。設(shè)備每隔10s上報(bào)一次自己的數(shù)據(jù)，并且會(huì)響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)的控制指令。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)還具備自動(dòng)控制功能，根據(jù)事先設(shè)定的閾值，能夠智能地控制附加設(shè)備，如加熱器、灌溉系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)備，以保持理想的環(huán)境條件。此外，鑒于塞北地區(qū)獨(dú)特的氣候環(huán)境，白天不僅可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)還可以實(shí)現(xiàn)從太陽(yáng)能中提取熱量，并將其轉(zhuǎn)化為供熱，在夜間大棚溫度過(guò)低時(shí)，利用通風(fēng)機(jī)將白天光照儲(chǔ)蓄的熱量傳輸至棚內(nèi)，以維持溫室內(nèi)恒溫環(huán)境。通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)智能控制，滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)大棚溫度需求，并且不會(huì)干燥環(huán)境，上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)自動(dòng)化調(diào)控這些設(shè)備，可以提高作物的生長(zhǎng)效率，同時(shí)減少資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和判斷，一旦環(huán)境參數(shù)偏離設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備，以使環(huán)境恢復(fù)到理想狀態(tài)。這種自動(dòng)控制功能不僅節(jié)省了人工操作的時(shí)間和精力，還能夠確保農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境始終處于最佳狀態(tài)，促進(jìn)作物的健康生長(zhǎng)。具體內(nèi)容如下。

（1）系統(tǒng)采集與分析數(shù)據(jù)流程。溫濕度傳感器開(kāi)啟后，會(huì)按固定頻次采集環(huán)境當(dāng)中的溫濕度數(shù)據(jù)，并將其輸送給中央處理器樹(shù)莓派，中央處理器會(huì)根據(jù)提前編寫(xiě)好的相應(yīng)的數(shù)值信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，依照輸入溫濕度范圍，進(jìn)行數(shù)值判定，當(dāng)檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)大于所輸入溫濕度的范圍時(shí)，則樹(shù)莓派發(fā)出打開(kāi)風(fēng)機(jī)和除濕器的執(zhí)行指令；所檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)小于所輸入溫濕度的范圍時(shí)，則樹(shù)莓派發(fā)出打開(kāi)熱泵裝置和灌溉裝置的指令。另外設(shè)置了內(nèi)部輔助元件。只有當(dāng)元件被復(fù)位，樹(shù)莓派才能夠確認(rèn)設(shè)備處于所要求的執(zhí)行狀態(tài)。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

（2）云端界面設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以阿里云服務(wù)器提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派與物聯(lián)網(wǎng)云端的對(duì)接。然后在云端控制平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建以及設(shè)備的添加，最后啟動(dòng)樹(shù)莓派終端，在paho-mqtt等第三方庫(kù)的支持下建立硬件設(shè)備與云端平臺(tái)的信息關(guān)聯(lián)。

（3）云平臺(tái)可視化控件組成。系統(tǒng)裝備了一系列傳感器，可以監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、光照、土壤濕度和二氧化碳濃度等。這些傳感器通過(guò)樹(shù)莓派設(shè)定采樣周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并借助WiFi連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器上。將樹(shù)莓派傳遞來(lái)的參數(shù)信息通過(guò)Web界面顯示，具體配置信息如圖5所示，監(jiān)控平臺(tái)可視化界面如圖6所示。

圖5 云端界面配置

圖6 云端設(shè)計(jì)界面展示

同時(shí)，為了方便用戶(hù)及時(shí)獲知傳感器設(shè)備采集到的大棚內(nèi)部環(huán)境信息，以阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)構(gòu)建移動(dòng)端應(yīng)用開(kāi)發(fā)，通過(guò)可視化移動(dòng)應(yīng)用，用戶(hù)可以隨時(shí)使用智能手機(jī)或電腦來(lái)訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，隨時(shí)獲知大棚內(nèi)部信息，從而發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的功能，移動(dòng)端可視化界面如圖7所示。

圖7 移動(dòng)端可視化界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于樹(shù)莓派的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)大棚作為應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)利用樹(shù)莓派作為中央處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫濕度的監(jiān)控。在程序運(yùn)行過(guò)程中，樹(shù)莓派接收由溫濕度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)處理和分析后，對(duì)棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保作物始終處于適宜的環(huán)境條件下，保證了農(nóng)作物質(zhì)量。同時(shí)，系統(tǒng)還建立了硬件設(shè)備與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。借助樹(shù)莓派強(qiáng)大的計(jì)算能力和靈活的GPIO引腳，可以連接各類(lèi)傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的溫濕度控制，系統(tǒng)結(jié)合溫度感知、設(shè)定閾值、報(bào)警機(jī)制、溫度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄與分析以及遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制等功能，將能夠有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展。