連接云平臺的智能溫室大棚檢測系統(tǒng).pdf

年第期 連接云平臺的智能溫室大棚檢測系統(tǒng)楊鵬 ，包本剛 ，陳小雷（湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院 ，永州）基金項目 ：湖南科技學(xué)院大學(xué)生研究型學(xué)習與創(chuàng)新性實驗項目資助 ：湘科院教發(fā) 號 。摘要 ：在當今智能化的背景下 ，傳統(tǒng)的管理方式已無法滿足對溫室大棚的實時檢測與控制 。智能溫室大棚控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接云平臺 、溫室終端和用戶 ，實現(xiàn)用戶對大棚內(nèi)環(huán)境 （土壤溫濕度 、土壤酸堿度 、空氣濕度等 ）的實時檢測與控制 ，從而減少人工看護 ，降低成本 。關(guān)鍵詞 ：云服務(wù) ；溫室檢測 ；中圖分類號 ： 文獻標識碼 ： ， ， （ ， ， ，）： ， ， （ ， ， ） ， ， ： ； ；引言隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速崛起 ，其應(yīng)用已經(jīng)延伸到了人們生活中的各個方面 ，在現(xiàn)代的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中同樣出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的身影 ，特別是智能溫室蔬菜大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)極大地提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)力 。目前智能溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用的設(shè)計方案往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ，如自組網(wǎng)（嵌入系統(tǒng) ）通信模塊商業(yè)云平臺 。由于子系統(tǒng)較多 ，采用的模塊較為復(fù)雜 ，所以實現(xiàn)成本較高 ，難度較大 。本文基于云服務(wù)的溫室檢測系統(tǒng) ，采用為主控芯片無線通信模塊 ，無需運行和協(xié)議棧，且子系統(tǒng)和模塊較少 ，使得整個系統(tǒng)實現(xiàn)起來相對容易 ，成本較少 ，維護比較簡單 ，是溫室測控系統(tǒng)的理想選擇 。 系統(tǒng)架構(gòu)如圖所示 ，整個檢測系統(tǒng)分為個部分 ：溫室服務(wù)器 、樂聯(lián)云 、用戶終端 。用戶通過樂聯(lián)云可以實時獲取溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)并能做出調(diào)整 。溫室服務(wù)器通過樂聯(lián)云向用戶反饋數(shù)據(jù) ，并接收用戶命令 。樂聯(lián)云提供數(shù)據(jù)的存儲 、檢測 ，數(shù)據(jù)命令的轉(zhuǎn)發(fā) ，緊急情況下向用戶報警的功能 。 溫室服務(wù)器下位機設(shè)計原理如圖所示 ，溫室服務(wù)器采用圖 系統(tǒng)示意圖芯片 ，該芯片擁有 ，含有多達路、路比較器 、個定時器等資源 。特別是其多達個引腳和超低的功耗十分適合系統(tǒng)需求 。通信模塊采用的是模塊 ，通過連接進行上網(wǎng)，其具有操作指令簡單 、使用方便 、連接容易等優(yōu)點 。采用指令聯(lián)網(wǎng)時只需條指令 ，網(wǎng)絡(luò)斷開自動重連 ，使用和進行通信。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計如 圖所 示 ，采 用作為主控制芯片 ，實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)采集功能 ，并且通過將采集 的 土 壤 、空 氣 溫 濕 度 、敬請登錄網(wǎng)站在線投稿年第期 圖 溫室服務(wù)器框架圖光照強 度 、濃 度 等終端 數(shù) 據(jù) 通 過協(xié)議 打 包 上 傳 到 樂 聯(lián)網(wǎng)平 臺 。在 物 聯(lián) 網(wǎng) 農(nóng)業(yè)溫室大棚中 ，實現(xiàn)對各種 數(shù) 據(jù) 的 實 時 監(jiān) 控必須接入相應(yīng)的傳感器 ，本系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)采集部分共分為空氣溫度采集 、空氣濕度采集 、土壤溫度采集 、土壤濕度采集 、光照強度采集 、濃度采集 ，其中采集空氣溫濕度數(shù)據(jù)使用數(shù)字溫濕度傳感器，土壤溫度采集使用數(shù)字傳感器 ，光照強度采集使用光學(xué)數(shù)字傳感器 ，土壤濕度采用土壤濕度檢測模塊 ，濃度采用二氧化碳濃度測量檢測模塊 。圖 數(shù)據(jù)采集設(shè)計原理圖 控制模塊設(shè)計如圖所示 ，控制電路使用芯片繼電器組合的方式控制電源通斷的方式 ，從而實現(xiàn)對外部不同亮度的光進行遠程監(jiān)控 、溫室的排風機控制 、溫室加熱裝置的控制 、對溫室滴灌裝置的控制 、對溫室卷簾裝置的控制 。圖 控制電路 電源設(shè)計方案：采用節(jié)干電池 （）實現(xiàn)檢測系統(tǒng)下位機和各個模塊所需要的電源需求 ，使用交流電對控制模塊進行供電 。方案：采用電源適配器作為下位機的電源 ，提供電壓 ，最大電流 。采用電源適配器 。方案結(jié)構(gòu)簡單 ，實現(xiàn)容易 ，且更加符合大棚環(huán)境下的使用 ，所以最終電源方案使用方案。 系統(tǒng)軟件設(shè)計通過模塊上傳數(shù)據(jù) ，通過指令控制模 塊 。通 過 串 口 與通信 。登錄樂聯(lián)網(wǎng)平臺 （云平臺 ），將數(shù)據(jù)按一定格式發(fā)送到平臺 。各個檢測模塊和控制模塊在各模塊時序的控制下通過的引腳與進行通信 。其中的引腳為（）、（），波特率為 。（）的指令如表所列 。表 的 指令指令 功能 測試 連接 登陸云平臺 選擇透傳模式 開啟透傳數(shù)據(jù)上傳格式為 ：用戶認證 ：“ ：，“ ：“ 用戶名 “ ，“ ：“ 設(shè)備號 “ ，“ ：“ 數(shù)據(jù)上傳 ：“ ：，“ ：，“ ：“ 傳感器號 “ ：值 ，“ ：（）模塊首先主機發(fā)送開始信號 ，即拉低數(shù)據(jù)線 ，保持（至少）時間 ，然后拉高數(shù)據(jù)線（）時間 ，然后讀取的響應(yīng) ，正常情況下 ，會拉低數(shù)據(jù)線 ，保持（）時間 ，作為響應(yīng)信號 ，然后拉高數(shù)據(jù)線 ，保持（）時間后 ，開始輸出數(shù)據(jù) 。（）模塊單總線上的所有通信都是以初始化序列開始 。主機輸出低電平 ，保持低電平時間至少，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖 。接著主機釋放總線 ，的上拉電阻將單總線拉高 ，延 時，并進入接收模式 （）。接 著拉低總線，以產(chǎn)生低電平應(yīng)答脈沖 。 系統(tǒng)初始化如圖所示 ，初始化系統(tǒng)滴答時間（），用于 年第期 圖 系統(tǒng)初始化流程圖基本時間延時 ；初始化系統(tǒng)中斷優(yōu)先 級（）；初始化串口，波特率為，（）；初 始 化顯示器 ，（）；下位機人機交互初始化定時器，中 斷 一 次 。（，）；初始化矩陣鍵盤 ，（），初始化關(guān)照采集 ，參考電壓為。（）；初始化、風扇 、滴灌 、加熱裝置連接引腳 。初始化串口，波 特 率 為 ，用 于 和建立連接 。初始化，發(fā)送指令 。登陸樂聯(lián)網(wǎng)云平臺 。開啟定時器，用于系統(tǒng)刷新 。 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計通過在室內(nèi)安裝的采集模塊對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集 。主要有模塊對空氣的溫濕度使用串行通信 ，按照時序讀取模塊數(shù)據(jù)獲取當前環(huán)境的溫度和濕度 。數(shù)據(jù)采集后會與預(yù)定值進行比較 ，通過比較結(jié)果判斷對系統(tǒng)的控制 ，實現(xiàn)對溫室的控制 。土壤的溫濕度 、的濃度 、光照強度等通過溫濕度采集模塊 （）、土壤溫濕度采集模塊 （）、濃度采集模塊 、光照強度采集模塊 （）實現(xiàn) 。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖所示 。 設(shè)備控制模塊軟件設(shè)計如圖所示 ，設(shè)備控制模塊主要有自動模式和手動模式兩種 。自動模式下 ，系統(tǒng)通過采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進行比較 ，當采集值與預(yù)設(shè)值不匹配時 ，系統(tǒng)就會自行發(fā)送指令控制相關(guān)的設(shè)備 ，使得不匹配數(shù)值回到正常狀態(tài) 。手動模式下 ，通過云平臺獲取用戶對系統(tǒng)的控制指令 ，根據(jù)用戶的意愿開啟或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備 。圖 數(shù)據(jù)采集流程圖圖 設(shè)備控制流程圖通過控制引腳的電平控制繼電器模塊實現(xiàn)對各個外設(shè)的通斷電控制 ，在滿足條件下打開相應(yīng)的設(shè)備 。當數(shù)據(jù)異常時進行調(diào)整 ，數(shù)據(jù)正常時斷電 。 樂聯(lián)云搭建和使用 云平臺介紹如圖所 示 ，登陸樂聯(lián)網(wǎng)云平臺：。在 “我的設(shè)備列表 ”中可以看到用戶當前的所有設(shè)備 。在 “設(shè)備添加界面 ”中可以添加設(shè)備 ，設(shè)置設(shè)備標識 、類型 、數(shù)據(jù)刷新時間 、設(shè)備名稱 、是否可控 （設(shè)備分為兩種 ：可控設(shè)備和非可控設(shè)備 ）。在當前用戶中標識是唯一的 ，數(shù)據(jù)的上傳和命令控制都是通過設(shè)備標識進行的 。一個下位機服務(wù)器需要添加兩個設(shè)備 ，一個非可控設(shè)備用來接收下位機服務(wù)器數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù) ，一個可控設(shè)備用來接收用戶終端的命令 ，下發(fā)給相應(yīng)的控制器 ，從而實現(xiàn)對下位機服務(wù)器控制模塊的控制 。圖 樂聯(lián)網(wǎng)云平臺 傳感器列表如圖所示 ，在這里將為下位機服務(wù)器的所有數(shù)據(jù)采集模塊添加傳感器 ，一個數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)一個傳感器 。添加了個傳感器分別對應(yīng)空氣溫度采集 、空氣濕度采集 、土壤溫度采集 、土壤濕度采集 、光照強度采集 、濃度采集 。傳感器的值每分鐘刷新一次 ，刷新時間可在“我的設(shè)備 ”接收設(shè)備中進行設(shè)置 。傳感器數(shù)值是最后一次上傳的數(shù)據(jù)值 。傳感器列表中的傳感器都屬于非可控設(shè)備 。圖 傳感器列表 控制器列表如圖所示 ，在這里將為下位機服務(wù)器的所有控制模塊添加控制器 ，一個控制模塊對應(yīng)一個控制 ?？刂破髁斜淼膫鞲衅鞫紝儆诳煽卦O(shè)備 ，可根據(jù)實際需求選擇開關(guān)控敬請登錄網(wǎng)站在線投稿年第期 制或者數(shù)值控制 ，開關(guān)控制只有兩種狀態(tài) ：開 關(guān) ，對應(yīng)排風控制 、卷簾控制 、滴灌裝置控制 。數(shù)值控制用戶可設(shè)置最大值 、最小值 ，從而實現(xiàn)在區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)選擇 ，對應(yīng)光照強度控制 、加熱裝置控制 。圖 控制器列表 用戶終端的使用（）網(wǎng)頁端如圖所示 ，端可以打開瀏覽器 ，進入樂聯(lián)網(wǎng)：，在菜單列表中選擇集中控制 ，用戶可以看到下位機上傳的實時數(shù)據(jù) ，通過控制設(shè)備控制下位機 。圖 網(wǎng)頁端（）手機端如圖所示 ，手機微信關(guān)注 “樂為物聯(lián) ”公眾號 ，點擊 “我的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 ”便可查看當前大棚環(huán)境數(shù)據(jù)并實現(xiàn)遠端控制 。圖 樂為物聯(lián)公眾號結(jié)語隨著智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人工費用的成本增加 ，基于云服務(wù)的溫室檢測將逐漸取代人工 ，成為未來溫室大棚乃至智慧農(nóng)業(yè)的核心 。基于云服務(wù)的溫室檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室環(huán)境下的土壤溫濕度 、空氣溫濕度 、土 壤 酸 堿 度 、空 氣 流 動 狀況 、光照強度 、氧氣 二氧化碳濃度的檢測 ，并通過灑水 ，霧化 、加溫 、通風 、打開 關(guān)閉卷簾的方式控制不同模塊 ，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的人為控制和通過對比數(shù)據(jù)的自動控制 。在未來基于云服務(wù)的溫室檢測系統(tǒng)將攜手大數(shù)據(jù) ，真正實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè) 。基于云服務(wù)的溫室檢測系統(tǒng)還可在智能家居應(yīng)用中進行擴展 ，實現(xiàn)對家庭環(huán)境的檢測 ，并增加漏電檢測 、一氧化碳 （煤氣 ）檢測 、火焰報警等特定環(huán)境下的系統(tǒng) 。參考文獻孫其博 ，劉杰 ，黎羴 ，等農(nóng)田環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)自動化儀表，（）：杜一騰 ，遲宗濤基于 與 平臺的實時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 ，（）：朱若茜 ，張禮勇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測環(huán)境中的煤礦安全度評價 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報 ，（）：岳敬華 ，張珣智能社區(qū)云服務(wù)平臺及服務(wù)模式研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ，（）：張尼 ，姚海鵬物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能卡遠程管理技術(shù)電信工程技術(shù)與標 ，（）：楊鵬 ，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 ；包本剛 （副教授 ），主要研究方向為集成電子電路設(shè)計和集成電路測試 。（責任編輯 ：薛士然收稿日期 ：） 盧先領(lǐng) ，夏文瑞基于最大似然估計的加權(quán)質(zhì)心定位算法 信息與控制 ，（）：劉魏基于 視頻監(jiān)控的運動目標檢測系統(tǒng)研究 衡陽 ：南華大學(xué) ，：王宣達 ，李臨生嵌入式 下多線程視頻監(jiān)控的設(shè)計和實現(xiàn) 信息通信 ，（）：劉大紅基于 流媒體服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)西安：西安電子科技大學(xué) ，：劉志軍 ，王建基于 的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 ，（）：周寧兆 ，宋彬 ，常義林基于 的視頻通信抗分組丟失方法研究 計算機學(xué)報 ，（）：符曉勇智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計與路徑規(guī)劃方法研究杭州 ：浙江理工大學(xué) ，：廖興宇 ，汪倫杰基于 的 節(jié)點三維定位算法研究 計算機技術(shù)與發(fā)展 ，（）：丁銳 ，錢志鴻 ，王雪基于 和 聯(lián)合估計的 定位方法 電子與信息學(xué)報 ，（）：謝芝玉 ，劉雄飛 ，胡志坤基于 展開的 井下定位算法研究與實現(xiàn) 計算機工程與應(yīng)用 ，（）：張龍杰 （講師 ），主要研究方向為軍用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 、武器控制技術(shù) ；張曉瑜 （工程師 ），主要研究方向為軍用仿真技術(shù) ；胡慧 （工程師 ），主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)與信息通信系統(tǒng) ；張龍云 （高級工程師 ），主要研究方向為計算機模擬技術(shù) 。（責任編輯 ：薛士然收稿日期 ：）