基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 Agricultural Machinery and Agronomy 2022 年 6 月下 48 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì) 陳昊晟 華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450045 摘 要 筆者設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)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(shí)現(xiàn)對溫度 濕度 二氧化碳濃度 光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集 將數(shù)據(jù)發(fā)送至 STM32F103C 單片機(jī)控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理分析 同時(shí)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(shù)據(jù)交換 用戶可通過移動終端作為人機(jī)界面進(jìn)行監(jiān)控 發(fā)送遠(yuǎn)程命令控制 執(zhí)行設(shè)備調(diào)節(jié)棚內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)參數(shù) 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn) 能有效提高農(nóng)業(yè)大棚種 植的科學(xué)化和智能化控制水平 關(guān)鍵詞 智慧農(nóng)業(yè) 溫室大棚 物聯(lián)網(wǎng) 傳感器 云平臺 中圖分類號 S625 5 S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2022 12 014 我國農(nóng)業(yè)正逐步從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè) 智慧 農(nóng)業(yè)邁進(jìn) 1 加快突破農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù) 扎實(shí)推進(jìn) 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵 2 農(nóng)業(yè)溫室大 棚智能化監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要途徑 而現(xiàn)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(chǎn)管理體系 農(nóng)業(yè)設(shè)施化水 平低導(dǎo)致資源利用率低 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 對氣 溫 光照 土壤含水量等指標(biāo)難以科學(xué)監(jiān)測和分析 不能準(zhǔn)確把控作物生長過程中各種養(yǎng)料的施加量 影 響了農(nóng)業(yè)種植效益 基于此 筆者設(shè)計(jì)了一種基于 物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)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(shí)時(shí)監(jiān)測溫室大棚 內(nèi)各環(huán)境參數(shù) 及時(shí)調(diào)整大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)以達(dá)到設(shè)定 標(biāo)準(zhǔn) 實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)生長周期 提質(zhì)增產(chǎn)目的 3 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 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(nèi)的溫度 濕度 二氧化 碳濃度 光照強(qiáng)度等大棚環(huán)境數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù)值與提前設(shè)置好的閾值范圍相比 對 如果采集的數(shù)據(jù)值超出設(shè)置范圍 將自動控制執(zhí) 行設(shè)備以調(diào)節(jié)溫室大棚環(huán)境參數(shù) 無需人工操作 手 動控制模式是指用戶根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷 手動 發(fā)出指令來控制執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行一定動作 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng) 由感知層 傳輸層和應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)組成 4 整體系 統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示 感知層是整個(gè)系統(tǒng)的基 礎(chǔ) 主要功能是利用傳感器來獲取農(nóng)作物生長環(huán)境情 況 完成對溫室大棚環(huán)境內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù) 的 采集 5 傳 輸 層則將感知層采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給應(yīng)用層 并將上層發(fā) 送的控制指令送達(dá)感知層 應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)最重要 的部分 它處理接收到的傳感器數(shù)據(jù) 并將處理結(jié)果 上傳OneNET云端 使用戶能在移動終端或網(wǎng)頁上訪 問云平臺 遠(yuǎn)程監(jiān)測大棚內(nèi)的作物環(huán)境情況與控制大 棚系統(tǒng)設(shè)備 傳感器感知層 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳輸層 通信模塊 應(yīng)用層 Web 網(wǎng)頁 移動終端 無線網(wǎng)絡(luò) 有線網(wǎng)絡(luò) 圖 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù) 據(jù)傳輸模塊 控制模塊 執(zhí)行設(shè)備模塊 電源模塊組 成 系統(tǒng)硬件組成圖如圖2所示 先通過傳感器完成 對大棚各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集 再經(jīng)A D轉(zhuǎn)換將模擬量 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 STM32F103C單片機(jī)是系統(tǒng)的核心 為 系統(tǒng)功能的完善與開發(fā)提供了強(qiáng)大支撐 然后借助 ESP8266 WiFi設(shè)備模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和指令的下 基金項(xiàng)目 華北水利水電大學(xué) 2021年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 2021XA018 作者簡介 陳昊晟 2002 男 湖南婁底人 本科 研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝Agricultural Machinery and Agronomy2022 年 6 月下 49 達(dá) 電源模塊為系統(tǒng)供電 保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行 補(bǔ)光設(shè)備 卷簾 風(fēng)扇 加熱器 加濕器 供電模塊 WiFi 模塊 采集環(huán)境參數(shù) 控制設(shè)備指令 STM32F103C 單片機(jī) 溫度傳感器 濕度傳感器 光照傳感器 CO 2 傳感器 其他傳感器 圖 2 系統(tǒng)硬件組成圖 2 1 數(shù)據(jù)采集模塊 在農(nóng)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(qiáng)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(shù)并加以適當(dāng)調(diào)節(jié)有利 于農(nóng)作物的良好生長 而大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集 需要依賴相應(yīng)傳感器來實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)選用DHT11傳 感器采集空氣溫濕度數(shù)據(jù) 選用YL 69傳感器采集 土壤濕度數(shù)據(jù) 選用MH Z14A二氧化碳傳感器采集 空氣中的二氧化碳濃度數(shù)據(jù) 選用BH1750FVI光學(xué) 傳感器采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù) 2 2 數(shù)據(jù)傳輸模塊 WiFi數(shù)據(jù)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(wǎng)功能 可以通過配置與單片機(jī)上的UART串口進(jìn)行通信 為網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊 并將采集到的信息經(jīng)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和控制 各個(gè)模塊 系統(tǒng)采用STM32F103C單片機(jī) 使用的是 STM32單片機(jī)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(shí)可直接進(jìn)行連接 STM32F103 系列單片機(jī)為Cortex M3內(nèi)核 具有多個(gè)外設(shè)接口 包括GPIO口 A D轉(zhuǎn)換 串口通信 DMA等 單片機(jī) 上資源十分豐富 穩(wěn)定性好 8 2 4 執(zhí)行設(shè)備模塊 系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)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(shù)據(jù) 發(fā)出加熱 加濕 補(bǔ)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(shè)備進(jìn)行控制 營造出適宜 農(nóng)作物生長的溫室大棚生產(chǎn)條件 繼電器是一種電 控裝置 其通常作為控制元件 有擴(kuò)大控制范圍的效 果 9 繼電器可根據(jù)信號控制執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)狀態(tài) 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化作業(yè) 2 5 電源模塊 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源供電分為5 V供電和3 3 V供電 數(shù)據(jù)采集模塊 直流電機(jī)等輸入電壓是5 V 經(jīng)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(shè)計(jì) 本系統(tǒng)根據(jù)所需功能以及采用的STM32F103C 微控制器進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì) 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(shù)據(jù)采集 程序 數(shù)據(jù)傳輸程序和控制執(zhí)行程序三個(gè)部分展開 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示 先對系統(tǒng)進(jìn) 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(yīng) 開啟工作模式 逐步采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)信 息 單片機(jī)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(shù)據(jù)將會在設(shè)計(jì)好的監(jiān)控界面得 以展示 同時(shí)用戶可點(diǎn)擊相關(guān)操控按鍵發(fā)送控制指令 至服務(wù)器 服務(wù)器接受指令下達(dá)給執(zhí)行設(shè)備 然后將 執(zhí)行結(jié)果返回客戶端 圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖 3 1 數(shù)據(jù)采集 各傳感器采集溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)時(shí) 先上電初始 化 等待來自控制器的請求數(shù)據(jù)信號 收到請求信號后將 采集的數(shù)據(jù)由模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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 環(huán)境數(shù)據(jù)采 集流程圖如圖4所示 3 2 數(shù)據(jù)傳輸 單片機(jī)通過UART串口向ESP8266模塊發(fā)送AT指 結(jié)束 開始 系統(tǒng)初始化 采集數(shù)據(jù)并上傳 云平臺指令接收 對指令解碼 執(zhí)行云平臺指令 通信模塊初始化 連接成功 Y N 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 Agricultural Machinery and Agronomy 2022 年 6 月下 50 令配置進(jìn)行通信 系統(tǒng)成功加入無線通 信 網(wǎng)絡(luò)后 數(shù) 據(jù)傳輸系統(tǒng)將傳感器采集信息 設(shè)備工作狀態(tài)信息經(jīng) 過處理以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式傳送至云平臺 云平臺也可 以反向發(fā)送指令數(shù)據(jù)給單片機(jī)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(shù)據(jù)信息經(jīng)處理與設(shè)置閾值進(jìn) 行比較 根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行機(jī)械動作 使溫室環(huán)境參 數(shù)時(shí)刻保持在設(shè)定范圍內(nèi) 用戶也可根據(jù)監(jiān)控情況 遠(yuǎn)程發(fā)送指令來控制繼電器 進(jìn)而控制現(xiàn)場設(shè)備 執(zhí) 行設(shè)備的具體工作流程圖如圖5所示 圖 5 執(zhí)行設(shè)備控制流程圖 4 云平臺的搭建 本農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng)選用的終端應(yīng)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(fèi)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺 能快速接入傳感器等設(shè)備 和接收 儲存采集數(shù)據(jù) 農(nóng)業(yè)管理工作人員可以隨時(shí) 在移動終端查看作物相關(guān)數(shù)據(jù)信息 用戶按照系統(tǒng)提 示進(jìn)行操作即可將終端設(shè)備接入OneNET云平臺 本 系統(tǒng)添加產(chǎn)品時(shí)聯(lián)網(wǎng)方式選擇WiFi 設(shè)備接入?yún)f(xié)議選 擇MQTT OneNET平臺接入設(shè)備流程如圖6所示 開始 結(jié)束 注冊用戶 新建產(chǎn)品 添加設(shè)備 創(chuàng)建數(shù)據(jù)流 設(shè)計(jì)監(jiān)控界面 創(chuàng)建應(yīng)用 獲取 APIkey 圖 6 OneNET平臺接入設(shè)備流程 5 結(jié)語 本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 無線通信技術(shù) 自動控 制技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智慧農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)管系統(tǒng) 較好 地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)溫室大棚調(diào)控不及時(shí) 監(jiān)測環(huán)境參數(shù)單 一等缺點(diǎn) 系統(tǒng)利用硬件設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合 實(shí) 時(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫濕度 土壤溫濕度 二氧化碳濃 度 光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù) 進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié) 可 以對溫室大棚環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控 同時(shí)用戶能夠根據(jù) 采集的數(shù)據(jù)對作物的生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)整 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物 的精細(xì)化管理 降低種植成本 增加農(nóng)戶收益 該系 統(tǒng)能有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率 為服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更 多選擇 具有良好的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景 參考文獻(xiàn) 1 單興巧 基 于 STM32 的分布式農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 終端 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) J 電子元器件與信息技術(shù) 2021 5 2 19 20 22 2 于法穩(wěn) 基于綠色發(fā)展理念的智慧農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)路徑 J 人民 論壇 學(xué)術(shù)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(nóng)機(jī) 2020 51 4 129 131 4 海 濤 陳 娟 周 文 杰 等 基于 LoRa 和 NB IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 孵化監(jiān)控系統(tǒng) J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 5 159 165 5 任 玲 夏 俊 翟 旭 軍 等 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn) J 南方農(nóng)機(jī) 2022 53 3 5 10 6 梁 志 勛 施 運(yùn) 應(yīng) 覃 有 燎 等 基于 MQTT 協(xié)議的智慧農(nóng)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(nóng)業(yè)管 理系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 7 207 211 8 李 亞 迪 苗 騰 朱 超 等 北方日光溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) J 中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào) 2016 18 5 94 101 9 何 嘉 凱 杜 雪 梅 郟 浩 杰 等 基于單片機(jī)的智能溫室系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2021 11 10 41 44 10 高 浩 天 朱 森 林 常 歌 等 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng) 架構(gòu)與實(shí)現(xiàn) J 農(nóng)機(jī)化 研究 2018 40 1 183 188 圖 4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集流程圖 開始 初始化 發(fā)送起始信號 處理數(shù)據(jù) 等待 采集周期 N N Y 優(yōu)感器響應(yīng) 采集時(shí)間 結(jié)束 Y