基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

山東工業(yè)技術(shù) 2023年 第2期 總第310期 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 山東 濟(jì)南 250022 高貫磊 李長普 付帥帥 陳博文 張成梁 摘 要 本文針對大棚缺乏實時根據(jù)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)而不能根據(jù)現(xiàn)場條件快速響應(yīng)的技術(shù)問 題 提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 無線通信技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的智能溫室大棚控制系統(tǒng) 該系 統(tǒng)實現(xiàn)了用戶可以通過本地 云端 用戶 APP 三位一體的模式 可以對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù) 和歷史記錄進(jìn)行查看 并且對溫室大棚內(nèi)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程控制 關(guān)鍵詞 溫室大棚 物聯(lián)網(wǎng) 無線通信 自動控制 智能化管理 中圖分類號 TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1006 7523 2023 02 0071 07 DOI 10 16640 ki 37 1222 t 2023 02 012 收稿日期 2022 06 28 作者簡介 高貫磊 1997 男 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 碩士研究生 李長普 1995 男 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 碩士研究生 付帥帥 1997 男 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 碩士研究生 陳博文 1999 男 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 碩士研究生 通訊作者 張成梁 1983 男 博士 濟(jì)南大學(xué)機械工程學(xué)院 副教授 碩士生導(dǎo)師 隨著社會和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展 人們越來越追求 高質(zhì)量的水平的生活 而我國人口眾多 耕地面積少 提高農(nóng)作物產(chǎn)量和最大限度地利用耕地具有重要 意 義 為 了 提 高 農(nóng) 作 物 的 產(chǎn) 量 國 內(nèi) 外 都 開 發(fā) 了 智 能 溫室系統(tǒng) 1 5 所謂的智能溫室系統(tǒng)旨在借助于現(xiàn) 代科學(xué)技術(shù)來調(diào)節(jié)植物生長所需的不同環(huán)境條件 主 要有溫 度 濕 度 二氧化 碳濃 度 光 照值 土壤 濕 度 土壤水分 土壤肥力值這 7 個環(huán)境參數(shù) 從而使農(nóng) 作物處于最佳的生長環(huán)境中 進(jìn)而最大幅度地提高 農(nóng)作物的產(chǎn)量 目前蔬菜種植大棚的泵房系統(tǒng)大多 數(shù)為半自動化狀態(tài) 存在諸多問題 用戶需要現(xiàn)場 手動開啟水肥機進(jìn)行大棚施肥操作 頻繁進(jìn)出泵 房 對泵房內(nèi)設(shè)備的使用存在安全風(fēng)險 蔬菜大 棚內(nèi)設(shè)施 氣象信息等設(shè)備與泵房系統(tǒng)沒有實現(xiàn) 信息互聯(lián)互通 各個模塊之間存在信息孤島 無 法進(jìn)行總控制端的智能展示 領(lǐng)導(dǎo)和各級管理人 員無法實時了解設(shè)備使用狀態(tài)和大棚現(xiàn)場的環(huán)境 參數(shù) 更無法及時根據(jù)現(xiàn)場情況做出快速應(yīng)急反 應(yīng) 設(shè)備間均采用有線連接 布線不便 該系統(tǒng) 目的是將現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)發(fā)展 把人們從繁 重的的體力勞動中解放出來 并使他們體會到現(xiàn) 代技術(shù)帶來的樂趣 本文控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是通過對各傳感器 監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析 針對性的生成用于控制調(diào) 控裝置啟停以及調(diào)控量的調(diào)控執(zhí)行指令 以解決 現(xiàn)有技術(shù)中 沒有根據(jù)作物的實時生長環(huán)境參數(shù) 而導(dǎo)致的無法及時根據(jù)現(xiàn)場情況做出快速應(yīng)急反 應(yīng)的問題 構(gòu)建智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的核心目 的是通過分布在大棚內(nèi)的各種傳感器模塊采集環(huán) 境參數(shù) 6 然后利用無線數(shù)傳電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳 輸與匯聚 將數(shù)據(jù)有效地發(fā)送到泵房的工控機上 再通過物聯(lián)網(wǎng)單元將數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器 7 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 使得用戶可以在手機 APP 或辦公區(qū)域一體機的可 視化界面上進(jìn)行在線監(jiān)控和管理 實現(xiàn)更好的監(jiān) 測和管理 可以根據(jù)大棚種植區(qū)環(huán)境信息 對大 棚種植區(qū)域內(nèi)相關(guān)設(shè)備動作 包括 水肥灌溉 補光燈 風(fēng)扇 遮陽等設(shè)備的啟停 圖 1 為智能 溫室大棚整體系統(tǒng)架構(gòu)圖 圖 2 為各傳感器信息 采集框架 圖 1 智能溫室大棚整體系統(tǒng)架構(gòu) 圖 2 各傳感器信息采集框架 系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為三部分 數(shù)據(jù)采集模 塊設(shè)計 8 9 無線傳輸設(shè)備 10 11 和水肥一體機灌 溉設(shè)計 12 1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計 1 主控單元 主控芯片采用 STM32 單片機 具 體 型 號 為 STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 是基于 Arm Cortex M3 核的 32 位微控制器 使用 L Q F P 4 8 封 裝 S T 屬 于 S T M 3 2 系 列 F L A S H 中 的 程 序 內(nèi) 存 容 量 為 6 4 K B 6 4 K 8 位 R A M 中 為 2 0 KB 20k8 位 閃存中為兩個 12 位 ADC 總共 12 路 通 道 外部通 道僅有 PA0 到 PA7 pb0 到 PB1 而非 18 個通道 37 個通用 I O 端口 PA0 PA15 PB0 PB15 PC13 PC15 PD0 PD1 4 個 16bit 定 時 器 TIM2 2 IIC 2 SPI 3 USART 1 CAN 工 作電壓 2 V 3 6 V 工作溫度 40 C 85 C 系 統(tǒng)時鐘高達(dá) 72 mHz 其實物圖如下圖所示 圖 3 CPU主控芯片實物圖山東工業(yè)技術(shù) 2023年 第2期 總第310期 其引腳結(jié)構(gòu)如圖所示 圖 4 CPU主控芯片引腳圖 利用 STM32 采集模塊采集 CO 2 溫濕度 光 照 土壤溫濕度 土壤 EC 土壤 PH 傳感器的值 2 各傳感器采集單元 環(huán)境信息對農(nóng)作 物的生長至關(guān)重要 直接影響著作物的產(chǎn)量 因 此 本控制系統(tǒng)利用下位機的傳感器采集園區(qū)內(nèi) 空氣的溫度值 濕度值 CO 2 濃度 光照度 土 壤溫度值 土壤水分含量及土壤肥力濃度等環(huán)境 信息 通過傳感器數(shù)據(jù)模塊傳送至 RS485 節(jié)點上 然后通過數(shù)傳電臺傳輸?shù)奖梅績?nèi)的云服務(wù)器上 根據(jù)各傳感器的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行分析展示 然后完 成相應(yīng)設(shè)備的控制 顯示設(shè)備實時顯示溫室內(nèi)的 溫度 濕度 照度等數(shù)值 使溫室數(shù)據(jù)的完整畫 面顯示更加清晰 CO 2 傳感器 采用 MH Z16 傳感器用于檢測空氣 CO 2 濃 度 NDIR 紅外氣體模塊是一種小型通用傳感器 它利用非色散紅外 NDIR 原理檢測空氣中的 CO 2 它具有良好的選擇性 無氧依賴性 使用 壽命長 集成溫度傳感器 用于溫度補償 數(shù)字 輸出和模擬電壓輸出同時進(jìn)行 操作方便 圖 5 為 MH Z16 電路板 圖 5 MH Z16電路板 光照傳感器 采用 GY 30 構(gòu)成光照模塊電路 GY 30 是 一款內(nèi)置 ROHM BH1750FLV 芯片的數(shù)字光照強 度模塊 芯片內(nèi)置 16bitAD 轉(zhuǎn)換器 可直接數(shù)字 輸出 測量光照強度范圍為 0 65535lx 精度可選 除此之外 模塊內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換 支持 3 5 V 供電 可與 5 V 單片機 IO 直接連接 對外提供 IIC 接口 方便使用 圖 6 為 GY 30 電路圖 圖 6 光照傳感器電路圖 土壤溫濕度傳感器 采用D S 1 8 B 2 0構(gòu)成土壤溫度模塊電路 DS18B20 是常用的數(shù)字溫度傳感器 其輸出的是 數(shù)字信號 具有體積小 硬件開銷低 抗干擾能 力強 精度高的特點 它的接線方便 封裝成后 可應(yīng)用于多種場合 圖 7 為 DS18B20 電路圖 圖 7 DS18B20電路圖 土壤濕度傳感器 yl 69 土壤濕度傳感器的工作原理是使用濕 度靈敏度 當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時 具有感濕能 力的介質(zhì)發(fā)生變化 導(dǎo)致感濕能力發(fā)生變化 容 量與濕度成正比 濕敏電容器具有靈敏度高 反 應(yīng)速度快 滯后小等優(yōu)點 易于小型化和集成化 圖 8 為 YL 69 電路圖 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 圖 8 YL 69電路圖 土壤 EC 傳感器 Mec10 土壤 EC 傳感器 MEC10 是一種可靠且 穩(wěn) 定 的 傳 感 器 用 于 估 算 土 壤 和 灌 溉 水 中 的 鹽 度 即可檢測水肥一體溶液 它可以檢測營養(yǎng)液和基質(zhì) 溶液的電導(dǎo)率 電極由經(jīng)過特殊處理的合金制成 能承受強大的外力 不易損壞 高精度 響應(yīng)快 互 換性好 探針插入式設(shè)計保證測量精確 性能可靠 2 無線通訊 本文的控制系統(tǒng)通過數(shù)字無線模塊 AS62 T27 傳輸 STM32 記錄的各種傳感器的數(shù)值 AS62 T27 是一個高度穩(wěn)定的 具有工業(yè)強度的 433 MHz 500 mW 數(shù)字無線模塊 最遠(yuǎn)傳輸距離 可達(dá) 6 Km 它是利用 SX1278 射頻芯片和 LORA 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的 該模塊采用高效的 循環(huán)糾錯算法 具有高編碼效率和高糾錯能力 大大提高了模塊的抗干擾能力和高穩(wěn)定性 該模 塊有四種工作狀態(tài) 在工作中可以自由切換 在 低功耗工作模式下 電流消耗極低 是極低功耗 應(yīng)用的理想選擇 3 水肥一體機硬件設(shè)計 水肥一體機是智能溫室大棚系統(tǒng)的重要組成 部分 13 15 在智能溫室大棚系統(tǒng)的聯(lián)動控制下 可 以實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉 節(jié)水節(jié)肥 灌溉用水量智能決策 促進(jìn)了智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 開拓了智慧農(nóng)業(yè) 智慧灌溉的新領(lǐng)域 因此 設(shè)計一款水肥一體機 對于智能溫室大棚至關(guān)重要 本控制系統(tǒng)主要水 肥一體機的管路部分和電氣控制部分設(shè)計 1 管路部分 智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè) 置了 4 個料筒 其中 3 個肥料桶 1 個混合桶 均設(shè)置有攪拌裝置 入水口和出水口接到事先預(yù) 留好的管道上 清水經(jīng)過入水口進(jìn)入進(jìn)水總管 進(jìn) 水總管材質(zhì)為 PVC 規(guī)格為 2 寸 經(jīng)過球閥和 DN50 過濾器 分 3 路進(jìn)入 3 個肥料桶中 每路均設(shè)置 有電磁閥 肥料桶容量為 500 L 直徑 840 mm 高 1200 mm 經(jīng)過自動攪拌后 肥水在水泵的作用下 經(jīng)過 DN20 過濾器 浮子流量計 電磁閥進(jìn)入到 混合桶中 其中 浮子流量計最大量程為 500 L H 3 個桶為 1 5 m 3 h 經(jīng)過綜合考慮 選擇水泵型號 為 PX203E 其參數(shù)如表 1 所示 混合桶中的肥水 在注肥泵的作用下經(jīng)過電子流量計 最終匯入灌 溉總管 注肥泵型號為 SLS25 110 其參數(shù)如表 2 所示 管路安裝簡圖如圖 9 所示 表 1 PX203E泵參數(shù) 泵型號 最大流量 m 3 h 最高揚程 m 額定功率 kw 額定電壓 V PX203E 4 10 0 37 220 注肥泵參數(shù)表如下 表 2 SLS25 110泵參數(shù) 泵型號 最大流量 m 3 h 最高揚程 m 額定功率 kw 額定電壓 V SLS25 110 5 2 15 0 55 220 圖 9 水肥一體機管路安裝簡圖 其中 1 攪拌電機 2 混合桶 3 電子流量計 4 出水口 5 注肥泵 6 注水泵 7 DN20 過濾器 8 電磁閥 9 浮子流量計 10 DN50 過濾器 11 球閥 12 入水口 13 肥料桶 2 電氣控制部分 本控制系統(tǒng)共采用 4 個肥料桶 每個肥料桶都帶有攪拌功能 因此設(shè) 計 4 個單相交流電動機 水泵和注肥泵均為變頻 電動機 均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)控制壓力 設(shè)計 3 個進(jìn)桶電磁閥和 3 個出桶電磁閥 大棚種植區(qū) 域灌溉管路控制設(shè)計 8 個電磁閥 另外設(shè)計有穩(wěn) 壓電源 PLC 變頻器 顯示器 信號轉(zhuǎn)換模塊 山東工業(yè)技術(shù) 2023年 第2期 總第310期 信號調(diào)理模塊等器件 水肥一體機的核心是 PLC 控制器 其采用的 型號為西門子 200Smart SR30 PLC 與 PC 機通訊 一般有 Modbus TCP IP PROFIBUS PROFINET 等協(xié)議 本控制系統(tǒng)采用基于 485 總線的 Modbus 協(xié)議進(jìn)行通訊 智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計攪拌繼電器接到 PLC 的 Y0 0 線圈 與 4 路攪拌電機繼電器相連 PLC 輸出攪拌指令后 攪拌繼電器吸合 實現(xiàn)攪 拌功能 PLC 輸出線圈 Y0 1 Y0 6 接到 6 路中間 繼電器上 當(dāng) PLC 發(fā)出進(jìn)水的指令后 相應(yīng)的中 間繼電器吸合 清水進(jìn)入肥料桶中 當(dāng) PLC 發(fā)出 進(jìn)水的指令后 相應(yīng)的中間繼電器吸合 肥水進(jìn) 入混合桶中 另外 PLC 變頻器和無線閥控通 過 485 總線連在一起 變頻器與水泵和注肥泵相 連 可以調(diào)節(jié)兩個泵的流量 從而精準(zhǔn)施肥 無 線閥控與 8 個種植區(qū)域的電磁閥通過工業(yè) 2 4G 5G 無線網(wǎng)絡(luò)相連 PLC 通過 Modbus 協(xié)議發(fā)出指令后 無線閥控接收到指令 通過無線網(wǎng)給電磁閥發(fā)送 指令 從而控制灌溉總管的開閉 溫室大棚種植 區(qū)域連接拓?fù)涫疽鈭D如圖 10 所示 圖 10 溫室大棚種植區(qū)域拓?fù)涫疽鈭D 智能溫室大棚控制系統(tǒng)將所有的設(shè)備 儀表 傳感器等集成在一個有序工作的系統(tǒng)中 由泵房 工控機統(tǒng)一調(diào)控 自行開發(fā)智能控制軟件 可以 實現(xiàn)多用戶計費 進(jìn)出門管理 用戶權(quán)限管理 監(jiān)控存儲查看 數(shù)據(jù)存儲 打印報告分析等功能 同時 軟件系統(tǒng)可控制水肥一體機 補光燈 遮 陽卷簾機 放風(fēng)機設(shè)備 依托于阿里云的強大計 算服務(wù) 在云端設(shè)置云數(shù)據(jù)庫 將服務(wù)站所有信 息上傳到云數(shù)據(jù)庫 使得遠(yuǎn)程用戶可以通過手機 平板電腦等設(shè)備方便的獲知服務(wù)站內(nèi)情況 本方 控制系統(tǒng)形成 本地 云端 用戶 APP 三位一 體的模式 如圖 11 所示 圖 11 本地 云端 用戶APP三位一體模式圖 本文控制系統(tǒng)軟件用 C 開發(fā)上位機操作 界面 實現(xiàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)交換 在阿里云服務(wù)器 上建立 Mysql 數(shù)據(jù)庫 將下位機采集的數(shù)據(jù)使 用M y s q l數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲 通過P H P后端和基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 HTML CSS 前端設(shè)計 Web 界面 用戶通過 PC 或 者手機 APP 登陸 實現(xiàn)整個控制網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控 和管理 如圖 12 為軟件開發(fā)總體框架圖 圖 12 軟件開發(fā)總體架構(gòu)圖 智能溫室大棚控制系統(tǒng)界面如圖 13 所示 在界面上可以實時顯示 6 個大棚的空氣的溫度值 濕度值 CO 2 濃度 光照度 土壤溫度值 土壤 水分含量及土壤肥力濃度 而且可以設(shè)置參數(shù)的 閾值 只要環(huán)境參數(shù)值高于或低于設(shè)定的范圍 系統(tǒng)則會啟動報警裝置 提示技術(shù)人員對大棚種 植區(qū)域內(nèi)相關(guān)設(shè)備動作 包括 水肥灌溉 補光燈 風(fēng)扇 遮陽等設(shè)備的啟停 本研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 無線通信技術(shù)和自 動控制技術(shù)相結(jié)合 開發(fā)了智能溫室控制系統(tǒng) 較好地解決了傳統(tǒng)溫室控制中環(huán)境參數(shù)監(jiān)測不 及時等缺點 同時 用戶可以根據(jù)采集環(huán)境信 息等數(shù)據(jù)調(diào)整作物生長環(huán)境 實現(xiàn)對作物的精 細(xì)化控制 實時保證溫室內(nèi)植物生長的最適宜 環(huán)境 實現(xiàn)精細(xì)化控制 實現(xiàn)遠(yuǎn)程批量控制 為農(nóng)作物的高產(chǎn) 優(yōu)質(zhì) 高效 生態(tài) 安全提 供生產(chǎn)條件 能夠提高農(nóng)戶的生產(chǎn)效率 降低 生產(chǎn)成本 增加生產(chǎn)收入 具有良好的應(yīng)用價 值和發(fā)展前景 圖 13 智能溫室大棚控制系統(tǒng)界面 參考文獻(xiàn) 1 龔琴 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 J 電腦與信息技術(shù) 2022 30 1 53 56 2 陳慧 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)研究 D 杭州 浙江科技學(xué)院 2021 3 Guo Yaqin Design of energy saving greenhouse automatic irrigation system J IOP Conference Series Earth and Environmental Science 2022 983 1