基于物聯(lián)網的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)設計

　　摘　要：筆者設計了一種基于物聯(lián)網的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一系列傳感器實現對溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據的實時采集。將數據發(fā)送至 STM32F103C 單片機控制系統(tǒng)中進行處理分析，同時利用 WiFi 通信模塊配合MQTT 協(xié)議接入 OneNET 云平臺，完成與客戶端的數據交換，用戶可通過移動終端作為人機界面進行監(jiān)控，發(fā)送遠程命令控制執(zhí)行設備調節(jié)棚內農業(yè)生產參數。試驗結果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、監(jiān)控效果好、成本低等優(yōu)點，能有效提高農業(yè)大棚種植的科學化和智能化控制水平。

　　關鍵詞：智慧農業(yè);溫室大棚;物聯(lián)網;傳感器;云平臺

　　我國農業(yè)正逐步從傳統(tǒng)農業(yè)向數字農業(yè)、智慧農業(yè)邁進 [1]，加快突破農業(yè)關鍵核心技術，扎實推進農業(yè)現代化，是智慧農業(yè)發(fā)展的關鍵[2]。農業(yè)溫室大棚智能化監(jiān)控是實現農業(yè)現代化的重要途徑，而現行的大部分溫室大棚管理理念落后，行業(yè)發(fā)展水平低，缺乏一套完善、規(guī)范的生產管理體系，農業(yè)設施化水平低導致資源利用率低。在農業(yè)生產過程中，對氣溫、光照、土壤含水量等指標難以科學監(jiān)測和分析，不能準確把控作物生長過程中各種養(yǎng)料的施加量，影響了農業(yè)種植效益。基于此，筆者設計了一種基于物聯(lián)網的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用 STM32為主控芯片，與系列傳感器連接，實時監(jiān)測溫室大棚內各環(huán)境參數，及時調整大棚內環(huán)境參數以達到設定標準，實現調節(jié)生長周期、提質增產目的[3]。

　　1 　系統(tǒng)總體設計

　　本系統(tǒng)采用 STM32F103C 處理器作為控制單元，利用各種傳感器來采集大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等大棚環(huán)境數據。系統(tǒng)分為自動控制和手動控制兩種工作模式，自動工作模式是指控制系統(tǒng)將采集的數據值與提前設置好的閾值范圍相比對，如果采集的數據值超出設置范圍，將自動控制執(zhí)行設備以調節(jié)溫室大棚環(huán)境參數，無需人工操作;手動控制模式是指用戶根據采集的數據進行判斷，手動發(fā)出指令來控制執(zhí)行設備執(zhí)行一定動作。基于物聯(lián)網技術框架的農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應用層三層結構組成 [4]。

　　感知層是整個系統(tǒng)的基礎，主要功能是利用傳感器來獲取農作物生長環(huán)境情況，完成對溫室大棚環(huán)境內各項數據的采集 [5];傳輸層則將感知層采集的數據發(fā)送給應用層，并將上層發(fā)送的控制指令送達感知層;應用層是整個系統(tǒng)最重要的部分，它處理接收到的傳感器數據，并將處理結果上傳 OneNET 云端，使用戶能在移動終端或網頁上訪問云平臺，遠程監(jiān)測大棚內的作物環(huán)境情況與控制大棚系統(tǒng)設備。

　　2 　系統(tǒng)硬件設計

　　農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)主要由數據采集模塊、數據傳輸模塊、控制模塊、執(zhí)行設備模塊、電源模塊組成。先通過傳感器完成對大棚各項環(huán)境數據的采集，再經 A/D 轉換將模擬量轉換為數字量;STM32F103C 單片機是系統(tǒng)的核心，為系統(tǒng)功能的完善與開發(fā)提供了強大支撐;然后借助ESP8266 WiFi 設備模塊來實現數據的上傳和指令的下達;電源模塊為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的可靠運行。

　　2.1　數據采集模塊在農作物的生長過程中，空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強度是影響其長勢的重要環(huán)境因素[6]，獲得這些環(huán)境參數并加以適當調節(jié)有利于農作物的良好生長。而大棚環(huán)境數據的實時采集需要依賴相應傳感器來實現。本系統(tǒng)選用 DHT11 傳感器采集空氣溫濕度數據，選用 YL-69 傳感器采集土壤濕度數據，選用 MH-Z14A 二氧化碳傳感器采集空氣中的二氧化碳濃度數據，選用 BH1750FVI 光學傳感器采集光照強度數據。

　　2.2　數據傳輸模塊WiFi 數據傳輸模塊以 ESP8266 為核心芯片，ESP8266 的尺寸為 16 mm*24 mm*3 mm，模塊采用3DBi 的 PCB 板載天線。ESP8266 具備無線上網功能，可以通過配置與單片機上的UART串口進行通信﹐為網絡覆蓋提供了可能，且集成化的芯片提高了處理速度 [7]。該 WiFi 模塊主要是將傳感器采集到的實時數據傳輸給控制模塊，并將采集到的信息經過處理上傳到 OneNET平臺。

　　2.3　控制模塊控制模塊是系統(tǒng)的核心，負責數據分析和控制各個模塊。系統(tǒng)采用 STM32F103C 單片機，使用的是STM32 單片機的最小系統(tǒng)，在其使用過程中不用搭載其他電路，焊接電路時可直接進行連接。STM32F103系列單片機為 Cortex-M3 內核，具有多個外設接口，包括 GPIO 口、A/D 轉換、串口通信、DMA 等，單片機上資源十分豐富，穩(wěn)定性好[8]。

　　2.4　執(zhí)行設備模塊系統(tǒng)執(zhí)行設備包括加熱器、加濕器、卷簾等。控制模塊通過分析傳感器模塊獲得的數據，發(fā)出加熱、加濕、補光等電信號，WiFi 模塊傳輸信號使繼電器動作，通過繼電器對各執(zhí)行設備進行控制，營造出適宜農作物生長的溫室大棚生產條件。繼電器是一種電控裝置，其通常作為控制元件，有擴大控制范圍的效果 [9]，繼電器可根據信號控制執(zhí)行設備的開關狀態(tài)，進而實現農業(yè)的自動化作業(yè)。

　　2.5　電源模塊系統(tǒng)設計的電源供電分為5 V供電和3.3 V供電，數據采集模塊、直流電機等輸入電壓是 5 V。經過LD1117 芯片后，將電壓降為 3.3 V，此電壓可以供控制電路 MCU 使用，在使用上采用太陽能光伏板供電。

　　3 　系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)根據所需功能以及采用的 STM32F103C微控制器進行了軟件設計，在 Keil 編程軟件里利用C 語言完成對程序的編寫。主程序主要從數據采集程序、數據傳輸程序和控制執(zhí)行程序三個部分展開設計。先對系統(tǒng)進行初始化，發(fā)送初始信號，各傳感器模塊收到信號后給予響應，開啟工作模式，逐步采集環(huán)境中的數據信息。單片機模塊通過無線通信模塊串口與云平臺通信，傳感器采集到的數據將會在設計好的監(jiān)控界面得以展示，同時用戶可點擊相關操控按鍵發(fā)送控制指令至服務器，服務器接受指令下達給執(zhí)行設備，然后將執(zhí)行結果返回客戶端。

　　3.1　數據采集各傳感器采集溫室內環(huán)境參數時，先上電初始化，等待來自控制器的請求數據信號，收到請求信號后將采集的數據由模擬信號轉換成數字信號，并通過串口發(fā)送至控制器，然后開始等待下次采集。

　　3.2　數據傳輸單片機通過 UART串口向 ESP8266 模塊發(fā)送 AT指令配置進行通信，系統(tǒng)成功加入無線通信網絡后，數據傳輸系統(tǒng)將傳感器采集信息，設備工作狀態(tài)信息經過處理以數據報文的形式傳送至云平臺，云平臺也可以反向發(fā)送指令數據給單片機執(zhí)行一些控制操作[10]。

　　3.3　控制執(zhí)行傳感器采集到的數據信息經處理與設置閾值進行比較，根據比較結果執(zhí)行機械動作，使溫室環(huán)境參數時刻保持在設定范圍內。用戶也可根據監(jiān)控情況遠程發(fā)送指令來控制繼電器，進而控制現場設備。

　　4 　云平臺的搭建

　　本農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)選用的終端應用平臺是OneNET平臺。OneNET是中國移動為廣大開發(fā)者打造的免費物聯(lián)網云服務平臺，能快速接入傳感器等設備和接收、儲存采集數據。農業(yè)管理工作人員可以隨時在移動終端查看作物相關數據信息。用戶按照系統(tǒng)提示進行操作即可將終端設備接入OneNET云平臺。本系統(tǒng)添加產品時聯(lián)網方式選擇 WiFi，設備接入協(xié)議選擇 MQTT。

　　5 　結語

　　本研究結合物聯(lián)網技術、無線通信技術、自動控制技術設計了一套智慧農業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)，較好地彌補了傳統(tǒng)溫室大棚調控不及時、監(jiān)測環(huán)境參數單一等缺點，系統(tǒng)利用硬件設備和軟件設計相結合，實時監(jiān)測大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據，進行環(huán)境參數的自動調節(jié)，可以對溫室大棚環(huán)境進行精準調控;同時用戶能夠根據采集的數據對作物的生長環(huán)境進行調整，實現農作物的精細化管理，降低種植成本，增加農戶收益。該系統(tǒng)能有效提高農業(yè)生產效率，為服務農業(yè)生產提供更多選擇，具有良好的應用價值與發(fā)展前景。

　　參考文獻：

　　[1] 單興巧. 基于 STM32 的分布式農業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設計：終端節(jié)點的設計 [J].電子元器件與信息技術，2021，5(2)：19-20+22.

　　[2] 于法穩(wěn) . 基于綠色發(fā)展理念的智慧農業(yè)實現路徑 [J]. 人民論壇 · 學術前沿，2020(24)：79-89.

　　[3] 冀金泉，趙明富，李國厚，等. 基于 MQTT 的溫室環(huán)境智能管理系統(tǒng) [J]. 南方農機，2020，51(4)：129-131.

　　[4] 海濤，陳娟，周文杰，等. 基于 LoRa 和 NB-IoT 物聯(lián)網技術的孵化監(jiān)控系統(tǒng) [J].中國農機化學報，2021，42(5)：159-165.

　　[5] 任玲，夏俊，翟旭軍，等. 基于農業(yè)物聯(lián)網技術的智能溫室系統(tǒng)實現 [J]. 南方農機，2022，53(3)：5-10.

　　[6] 梁志勛，施運應，覃有燎，等. 基于 MQTT 協(xié)議的智慧農業(yè)大棚測控系統(tǒng)研究 [J]. 北方園藝，2020(23)：161-171.

　　[7] 陳明霞，王曉文，張寒 . 基于 WSNs 的無線可視化智慧農業(yè)管理系統(tǒng) [J]. 農機化研究，2021，43(7)：207-211.

　　作者：陳昊晟

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