智能化蔬菜大棚的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

河南省科技攻關(guān)項目 智能電網(wǎng)通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)感知的高可靠傳輸機(jī)制 222102210218 平null山學(xué)院高層次人才啟動基金 智能電網(wǎng) 通信網(wǎng)中基于業(yè)務(wù)的擁nullnull解關(guān)鍵技術(shù)研究 PXY BSQD 2022004 2023 年度河南省高等學(xué)校重點科研項目 智能電網(wǎng)null干通信網(wǎng) 中面向業(yè)務(wù)的靈活資源分配技術(shù)研究 23B510007 河南省高等教育學(xué)會高等教育研究項目 應(yīng)用型本科院校中外合作null學(xué)教學(xué)質(zhì)量 保障體系研究與實踐 2021SXHLX090 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室開放課題 面向能源互聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)可靠傳輸保障機(jī)制 SKLNST 2022 1 10 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植需要農(nóng)民自己澆水 打藥 消耗大量的人力物 力 近年來 由于農(nóng)作物種植地減少 資源浪費 加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn) 程成為我國的重要戰(zhàn)略任務(wù) 隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā) 展 通信技術(shù)逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域 智慧農(nóng)業(yè)得到了發(fā)展 智 慧農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 提高作物產(chǎn)量的同時 節(jié)省了資源 因此智慧農(nóng)業(yè)將是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要趨勢 本文針對溫 室大棚種植環(huán)境 結(jié)合數(shù)據(jù)通信技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)一套智慧大棚 監(jiān)控系統(tǒng) 1 本文以 ESP8266 通信技術(shù)為支撐設(shè)計一款基于 STM32單片機(jī)的智慧檢測系統(tǒng) 通過模塊間的配合來完成數(shù)據(jù)采 集與上傳功能 并且在出現(xiàn)異常情況時進(jìn)行自動灌溉 使農(nóng)戶及時 了解大棚狀況 方便種植與管理 促進(jìn)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展 2 1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本系統(tǒng)是基于 STM32 的設(shè)計與開發(fā)分為硬件與軟件兩部 分 一是通過硬件控制實現(xiàn)大棚內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測與自我調(diào)控 二是 通過終端來顯示數(shù)據(jù)功能并通過云端實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 該系統(tǒng)主要對環(huán)境中的溫濕度 光照強度和土壤濕度進(jìn)行 檢測 大棚內(nèi)的主控單元負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過 ESP8266 上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實時更新 當(dāng)檢測土壤濕度 達(dá)到設(shè)定閾值后 系統(tǒng)會自動開啟水泵進(jìn)行灌溉 當(dāng)檢測光照強 度不足時 系統(tǒng)會進(jìn)行智能補光幫助農(nóng)作物生長 還會報警提醒 農(nóng)場主 3 系統(tǒng)將各種信息都收集后 可以上傳到云服務(wù)器 將 大棚實現(xiàn)云端與移動終端顯示 圖 1為基于單片機(jī)的智慧大棚 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 硬件設(shè)計 2 1 STM32單片機(jī) 本文設(shè)計的基于單片機(jī)的智慧大棚系統(tǒng)需要通過ESP8266 連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器 因此大棚的監(jiān)測或報警節(jié)點都必須具備聯(lián)網(wǎng) 功能 因為該單片機(jī)擁有十分豐富的外設(shè)接口以及內(nèi)部存儲器 在對IO口的合理分配下和外圍電路的設(shè)計 可以很好地切合本 系統(tǒng)對處理器性能的需求 保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和準(zhǔn)確 4 故系 統(tǒng)選擇使用STM32做為智慧大棚的主控單元 2 2 溫濕度傳感器模塊 智慧大棚采用溫濕度傳感器 DHT11 對大棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行 檢測 溫濕度傳感器DHT11可以檢測周圍環(huán)境的溫度和濕度 其采用專用的數(shù)字采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù) 該傳感器誤 差較小 抗干擾性強 2 3 土壤濕度傳感器 使用土壤濕度傳感器來檢測土壤中的濕度 傳感器表面采 用鍍鎳處理 有加寬的感應(yīng)面積 可以提高導(dǎo)電性能 防止接觸 土壤容易生銹的問題 延長壽命 使用時把傳感器插入土壤中從 土壤模塊的AO口土壤濕度的值 智能null蔬菜大棚nullnullnull 張偉濤 劉保null 平null山學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 平null山 467000 Design and Implementation of Intelligent Vegetable Greenhouse 摘要 為促進(jìn)新一代農(nóng)業(yè)大null發(fā)展 改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種時費力 低效的種null模式 探null了一種將現(xiàn)代的通信技術(shù) 控制技 術(shù)與大null種null相結(jié)合的新型種null模式 在系統(tǒng)設(shè)計中 用各類傳感器檢測大null內(nèi)的環(huán)境數(shù)值 通過 Wi Fi通信模塊來實現(xiàn) 數(shù)據(jù)傳上云端 使用控制模塊來控制各個模塊工作 實驗表明所設(shè)計的智慧化nullnull大null系統(tǒng)可以在終端設(shè)備上有效地對農(nóng) 業(yè)大null環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和控制 從而指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 極大地方便了農(nóng)戶種null管理 同時提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平 對智慧農(nóng)業(yè)發(fā) 展具有一定的參考價值 關(guān)鍵詞 STM32 智慧大null Wi Fi通信 Abstract In order to promote the development of a new generation of agricultural greenhouse a new planting mode integrating communication technology and control technology is used in this paper The Wi Fi communication module is mainly used to transmit data to the cloud and the sensor uses sensor technology to detect the environmental value in the greenhouse Use the control module to control the operation of each module Finally the intelligent vegetable greenhouse system designed in this paper can monitor and control the agricultural greenhouse environment conveniently and effectively which not only improves the utilization rate of resources but also improves the level of agricultural production and provides a reference basis for China s agricultural modernization Keywords STM32 intelligent vegetable greenhouse Wi Fi communication 圖1 基于單片機(jī)的智慧大棚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 智能化蔬菜大棚的設(shè)計與實現(xiàn)154 工業(yè)控制計算機(jī) 2023年第36卷第5期 2 4 ESP8266模塊 將ESP8266設(shè)置為STA模式工作 在該模式下 ESP8266 通過接收路由器的信號而能夠連接互聯(lián)網(wǎng) 如果把它安裝在硬 件設(shè)備上 就可以實現(xiàn)硬件設(shè)備的遠(yuǎn)程控制 可以理解為此時 ESP8266是主動去連接其他設(shè)備 3 軟件設(shè)計 3 1 服務(wù)端軟件設(shè)計與實現(xiàn) 智慧大棚需要將各種數(shù)據(jù)上傳到云端 因此需要一個服務(wù) 器 服務(wù)器的選擇也有好幾種 自己搭建成本太高 最好選擇網(wǎng) 上購買云服務(wù)器 因此可以選擇使用阿里云服務(wù)器 阿里云服務(wù) 器方便 快捷 可以為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力 而本 地設(shè)備則可以通過MQTT協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺建立長連接 上傳 報數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺 智慧大棚系統(tǒng)接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的第一步是在控制臺 創(chuàng)建產(chǎn)品 隨后在創(chuàng)建的智慧大棚產(chǎn)品下創(chuàng)建一個名為test的設(shè) 備 用以測試 當(dāng)產(chǎn)品創(chuàng)建完畢之后可以在產(chǎn)品中定義一系列與 接入設(shè)備對應(yīng)的功能如 WDvalue 溫度值 SDvalue 濕度值 智慧大棚利用物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的 ProductKey DeviceName DeviceSecret碼 以一機(jī)一密的配對方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳的功能 將系統(tǒng)的溫濕度 光照強度與風(fēng)扇等狀態(tài)上傳到云服務(wù)器上 在 設(shè)備中 可以查看上傳成功的物模型數(shù)據(jù) 圖2為阿里云界面圖 圖2 阿里云界面 3 2 主程序流程設(shè)計 當(dāng)智慧大棚系統(tǒng)程序開啟時首先會進(jìn)行程序端的初始化 隨后各硬件元件根據(jù)程序預(yù)設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行硬件元件的初始化 硬件初始化會有略微的時延 硬件初始化結(jié)束后將 Wi Fi模塊 配置為 STA 模式 在該過程中添加一個自我反饋 若配置未完 成則繼續(xù)配置 配置結(jié)束后開始處理發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩存區(qū) 的內(nèi)容 若發(fā)送緩存區(qū)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送就通過 esp8266 與阿里 云連接發(fā)送數(shù)據(jù) 若是接收緩存區(qū)有數(shù)據(jù) 就把數(shù)據(jù)分解處理取 出移動端下達(dá)的命令同時顯示會同步更新 3 3 子程序流程設(shè)計 1 溫濕度監(jiān)測子程序 當(dāng)主程序開始后溫度監(jiān)控傳感器隨 之啟動 溫濕度傳感器進(jìn)行初始化 經(jīng)過短暫的時延之后 傳感 器開始讀取周圍環(huán)境的溫度和濕度 隨后必須進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗 當(dāng) 數(shù)據(jù)校驗無誤后才可以進(jìn)行溫度與程序中所設(shè)定的閾值進(jìn)行比 較 若沒有超過設(shè)定閾值便重復(fù)以上步驟 若超過閾值則說明大 棚內(nèi)溫度過高 將通過蜂鳴器來發(fā)出警報 2 光照強度子程序 當(dāng)主程序開始后光照檢測程序隨之啟 動 等待初始化 光照會改變光敏電阻的阻值 5 經(jīng)過短暫的時 延之后通過STM32的模擬引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換讀出當(dāng)前光照值 3 土壤濕度子程序 當(dāng)主程序開始后光照檢測程序隨之啟 動 等待初始化 配置好模擬輸入的引腳后讀取土壤濕度傳感器 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換 最后在屏幕上顯示 4 繼電器控制子程序 當(dāng)本系統(tǒng)上電后整個繼電器控制子 系統(tǒng)會進(jìn)行初始化 初始化時繼電器控制的原件會產(chǎn)生 1 2 s 的正常運行 隨后會關(guān)閉 初始化完畢之后 STM32主控板會根 據(jù)獲取的監(jiān)測信息來控制繼電器的上電與掉電 當(dāng)檢查溫度高 于閾值是會發(fā)出警報 當(dāng)檢查 土壤濕度低于閾值會啟動水 泵 當(dāng)檢測光照強度過低是會 補光 圖3給出了檢測流程圖 4 系統(tǒng)測試 系統(tǒng)測試的目的就是檢測 本系統(tǒng)功能是否達(dá)成預(yù)期目 標(biāo) 通過測試找出未達(dá)成預(yù)期 目標(biāo)的錯誤在哪里 將測試出 的錯誤進(jìn)行改正 從而達(dá)到完 善整個系統(tǒng)的目的 在本次測試中 主要對三 個方面進(jìn)行測試 1 功能測試 對系統(tǒng)中用 到的模塊進(jìn)行單獨測試 確保 每一個模塊在使用之前都經(jīng)過 功能測試 若無法單獨測試的 模塊 則進(jìn)行小范圍聯(lián)調(diào) 圖 4 為功能測試 圖4 功能測試 2 顯示與云端測試 為確保在實地與云端中都能準(zhǔn)確觀 測溫濕度與土壤濕度等數(shù)據(jù) 故需要將OLED與云端顯示數(shù)據(jù) 界面進(jìn)行測試 圖5給出了顯示與云端測試結(jié)果 能實時準(zhǔn)確顯 示當(dāng)前大棚內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)值 下轉(zhuǎn)第158頁 圖3 檢測流程圖 圖5 顯示與云端測試圖 155 上接第155頁 3 整體測試 單獨模塊功能和顯示與云端測試完畢之后便需要 進(jìn)行整體聯(lián)調(diào) 即將整個系統(tǒng)聯(lián)在一起進(jìn)行測試 測試結(jié)果如表1 5 結(jié)束語 本文通過對智慧大棚系統(tǒng)進(jìn)行需求分析 對系統(tǒng)設(shè)計 硬件 實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹 完成了系統(tǒng)測試 最終設(shè)計出 了開發(fā)成本低 功能完善 組網(wǎng)簡單 數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確 實際應(yīng)用價 值高的智慧大棚系統(tǒng) 實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期功能 參考文獻(xiàn) 1 王金 智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D 太原 中北大學(xué) 2020 2 李寒 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 D 保定 河北大 學(xué) 2021 3 張順鋒 溫宗周 田強明 張陽陽 智慧大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 J 微處理 機(jī) 2020 41 1 48 51 4 吳昊 杜選 肖世東 等 基于嵌入式平臺的智慧大棚開發(fā) J 電腦知 識與技術(shù) 2020 16 1 220 222 5 王亞冬 智慧農(nóng)業(yè)大棚測控及信息管理系統(tǒng) D 濟(jì)南 山東建筑大 學(xué) 2019 收稿日期 2022 10 11 2 本系統(tǒng)裝置的第三端蓋上設(shè)有支架組件 支架組件可以 在排風(fēng)過程支撐住第三端蓋 提高了排風(fēng)過程的穩(wěn)定性 3 本系統(tǒng)裝置除了可以實現(xiàn)從室內(nèi)向室外排風(fēng)之外 還可 以將室外新鮮的空氣送到室內(nèi)即引風(fēng) 室外的空氣通過凈化后 進(jìn)入第四通風(fēng)管 然后從第四端蓋排到室內(nèi) 實現(xiàn)室內(nèi)外大面積 空氣交換 避免了室內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓帶來的不適感 3 排風(fēng)換氣數(shù)據(jù)分析 確定房間所需的新風(fēng)量時 應(yīng)根據(jù)房間空間的大小及室內(nèi) 人員數(shù)量綜合考慮 目前新風(fēng)行業(yè)一般有2種計算風(fēng)量的方法 一種是按每人所需新風(fēng)量人數(shù) 另一種是按房間面積凈層高送 風(fēng)換氣次數(shù)的方式 取二者中的較大值作為設(shè)備選型依據(jù) 而對 于特殊行業(yè) 如醫(yī)院 手術(shù)室 特護(hù)病房 實驗室 工業(yè)車間 應(yīng) 按該行業(yè)相關(guān)規(guī)范條例確定所需新風(fēng)量 以某家庭住宅面積150 m 2 層高3 m 人員5人為例 正常 換氣次數(shù)的計算是將每小時的總送風(fēng)量除以房間的空間體積 計算公式為 換氣次數(shù) 次 h 各送風(fēng)口風(fēng)量之和 m 3 h 房間面積 m 2 高度 風(fēng)口風(fēng)量 m 3 h 平均風(fēng)帶 m s 風(fēng)口通風(fēng)面積 m 2 3600 送風(fēng)口平均風(fēng)速 各測量點風(fēng)速之和 測量點數(shù) 根據(jù)以上三式即可推算出新風(fēng)系統(tǒng)的換氣次數(shù) 這里直接 參考 JGJT 440 2018 住宅新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 如表 1所示 舉例的人均居住面積為30 m 2 注意 F為室內(nèi)總面積 Fp為人 員居住面積 由表1可知換氣次數(shù)n 0 50次 表1 最小設(shè)計新風(fēng)量換氣次數(shù) 最后計算得 最小新風(fēng)量 F h n 15 030 5 225 m 3 h 實 際上是不可能以這個風(fēng)量去選擇主機(jī)的 這是新風(fēng)設(shè)計的最小 風(fēng)量 也就是換氣的最小速率 換氣次數(shù)法可以計算這個家庭所需的最小新風(fēng)量 而CO 2 法可以計算出更加合適的新風(fēng)量 根據(jù) JGJT 440 2018 住宅 新風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 的起居室CO 2 濃度法 Q b 0 1 x C y C2 y C0 其中 Q b 為臥室新風(fēng)量 m 3 h x C 為室內(nèi)CO 2 散發(fā)量 L h 按室 內(nèi)人數(shù)和每人的 CO 2 量進(jìn)行計算 y C2 為室內(nèi) CO 2 濃度限值 按設(shè)計要求或取0 1 y C0 為室外CO 2 濃度 取0 04 這些是基本固定的常量 另外 根據(jù)查詢到的資料顯示 成人在室內(nèi)每小時呼出的 CO 2 大約在 30 L h左右 激烈運動時可達(dá)到 50 L h 這里我們 取值36 L h 那么在一個人員為 5的家庭住宅面積里 根據(jù)上 述公式計算得 Q b 0 1 5 36 0 1 0 04 300 m 3 h 根據(jù)資料調(diào)查顯示 新風(fēng)系統(tǒng)功率大小要根據(jù)安裝大小來決 定 以建筑面積100 m 2 為例 那其弱檔功率在46 W 強檔功率 在78 W 而實現(xiàn)300 m 3 h空氣交換的最大功率也只在100 W 左右 另外 新風(fēng)系統(tǒng)的功能強大 具有換氣 除塵 排濕 調(diào)節(jié)室 溫等功能 而1匹空調(diào)的功率通常在2300 W左右 因此從數(shù)據(jù) 上分析本次設(shè)計的智能家居空氣交換控制系統(tǒng)更勝一籌 4 結(jié)束語 為了清新室內(nèi)空氣 本文設(shè)計了一種智能家居空氣交換控 制裝置 涉及換氣設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域 一方面該系統(tǒng)可以通過CO 2 和PM2 5傳感器監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量 及時過濾有害氣體 向 外排風(fēng) 也可向室內(nèi)引風(fēng)提供新鮮的空氣 降低室內(nèi)各種有害物 質(zhì)濃度 另一方面 本系統(tǒng)通過溫濕度傳感器實時采集室內(nèi)溫濕 度信息 當(dāng)超出設(shè)置的閾值時可自動通風(fēng) 能夠在進(jìn)行換氣的同 時進(jìn)行熱量的交換 以維持舒適的溫濕度范圍 提供健康 舒適 的生活環(huán)境 本系統(tǒng)具有能耗低 效率高 無污染 智能化等優(yōu) 點 體現(xiàn)了碳中和的理念 具有廣闊的應(yīng)用前景 參考文獻(xiàn) 1 徐劍平 關(guān)于誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用探討 J 制冷空氣與電力 機(jī)械 2007 2 44 46 2 李京京 莊幸 我國新能源和可再生能源政策及未來發(fā)展趨勢分析 J 中國能源 2001 4 5 9 3 馬海玲 基于風(fēng)光互補的超低能耗高效通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計 J 科技創(chuàng)業(yè) 月刊 2017 8 126 129 4 黃志喜 送風(fēng)速度對碰撞射流氣流特征影響的實驗研究 J 發(fā)電技 術(shù) 2014 5 56 61 5 張旭 灰色預(yù)測優(yōu)化模型在企業(yè)信用風(fēng)險評價中的應(yīng)用 D 北京 北 京化工大學(xué) 2014 6 RUD DMYTRD 基于 TSCH 網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng) D 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2019 7 孫輝 葉智林 劉鴻森 等 一種智能家用自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)的設(shè)計 J 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備 2021 57 12 206 208 212 收稿日期 2022 11 02 表1 整體測試表 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 智能家居空氣交換控制系統(tǒng)的設(shè)計158