基于IoT平臺的智能溫室大棚測控系統(tǒng)實現(xiàn).pdf

2020 年 34 期 眾創(chuàng)空間 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application 基于IoT平臺的智能溫室大棚測控系統(tǒng)實現(xiàn) 何文靜 肖紫蕓 肖玲玲 江西理工大學 信息工程學院 江西 贛州 341000 前言 我國作為人口大國 對于糧食的需求量十分大 不斷 增長的人口 有限的土地資源 使得農(nóng)業(yè)在我國是重要的 支柱型產(chǎn)業(yè) 對我國的經(jīng)濟發(fā)展有著決定性的影響 1 21世 紀以來隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展 國家對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的大 力投入推廣 大棚技術(shù)不斷在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及 農(nóng)戶對溫 室大棚的使用不斷增加 從而導(dǎo)致溫室大棚在我國現(xiàn)代農(nóng) 業(yè)成產(chǎn)中的比重日益增長 溫室大棚對于蔬菜 花卉為主 的植物栽培有著重要的作用 其產(chǎn)業(yè)被看作21世紀活力 的新型產(chǎn)業(yè)之一 對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言 農(nóng)植物的成長嚴重依賴于自然天 氣 而我國大部分地區(qū)的氣候?qū)τ谵r(nóng)植物的生長有著很大 的約束 嚴重限制了農(nóng)植物的產(chǎn)量和生長周期 溫室大棚 可以為農(nóng)植物提供適宜的生長環(huán)境 2 避免外界自然環(huán)境 變化和自然災(zāi)害來臨導(dǎo)致的對農(nóng)植物生長的不良影響 減 小農(nóng)植物對于外界環(huán)境的依賴 并且利用冬季自然光能生 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)反季節(jié)產(chǎn)品 增長農(nóng)植物的生長周期 溫室是農(nóng)植 物在栽培中最重要的環(huán)境條件 而溫室的重要參數(shù)空氣中 的溫度和濕度 光照強度等 3 不同種類的植物物種對于溫 度和濕度的要求不相同 為了最終成長而成的蔬菜或花卉 等農(nóng)植物品相好 使得農(nóng)植物商品不受外界條件的限制 滿足現(xiàn)在居民生活水平 促使農(nóng)戶的利益最大化 保證適 宜的 良好的生長環(huán)境至關(guān)重要 溫室大棚的用戶對象是農(nóng)戶 開發(fā)低成本的溫室大棚 溫濕度控制系統(tǒng)至關(guān)重要 現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù) 發(fā)展到當今階段的必然產(chǎn)物 智能農(nóng)業(yè)成為發(fā)展趨勢 社 會經(jīng)濟發(fā)展到現(xiàn)階段的新要求 4 5 將現(xiàn)代化計算機技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合單片機技術(shù)用于控制溫室環(huán)境 可以遠程 加自動控制大棚內(nèi)的溫濕度等因素 減少人工成本 把農(nóng) 戶從大棚農(nóng)作中解放出來 隨時隨地監(jiān)控室內(nèi)溫濕度 及 時調(diào)控室內(nèi)溫濕度等重要環(huán)境參數(shù) 保證農(nóng)植物始終處于 最佳生長狀態(tài) 將控制失誤成本降低 1 系統(tǒng)設(shè)計方案 1 1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)以 STC12C5A60S2單片機為控制芯片 5V電壓供電 通過相 應(yīng)的傳感器實時檢測大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過 A D電路進行采樣 量化 編碼后實時顯示出來并通過 WiFi上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺 系統(tǒng)如圖1所示主要分為檢測模 塊 顯示模塊 通信模塊和控制模塊 檢測模塊分為按鍵檢 測單元和大棚環(huán)境參數(shù)檢測單元 大棚環(huán)境參數(shù)檢測單元 由溫濕度檢測 光照強度檢測和土壤濕度檢測構(gòu)成 用于 檢測大棚內(nèi)環(huán)境實時參數(shù) 顯示模塊主要實現(xiàn)LCD1602液 晶屏和云平臺實時顯示系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數(shù) WiFi模塊由 摘 要 隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展 溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越重要 溫室大棚的運用有效降低了外界環(huán)境對農(nóng)植物生長帶 來的惡劣環(huán)境 是提高農(nóng)植物的生長周期與產(chǎn)量的有效途徑之一 在農(nóng)植物種植過程中 大棚環(huán)境的控制對于種植的農(nóng)植物的生長狀 況至關(guān)重要 文章設(shè)計的溫室大棚溫濕度自動控制系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片 通過ESP8266和TCP協(xié)議實現(xiàn)單 片機與移動設(shè)備的通信 用戶可以通過系統(tǒng)自帶的LCD1602液晶顯示屏或移動設(shè)備查看實時環(huán)境參數(shù) 系統(tǒng)支持手動按鍵設(shè)置自動 控制范圍和通過移動設(shè)備登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺的網(wǎng)頁 APP或者微信公眾號查看環(huán)境參數(shù)遠程調(diào)控環(huán)境兩種方式去使溫室環(huán)境恒定 關(guān)鍵詞 STC12C5A60S2 ESP8266 TCP協(xié)議 物聯(lián)網(wǎng) LCD1602 中圖分類號 TP273 文獻標志碼 A 文章編號 2095 2945 2020 34 0039 03 Abstract With the development of agricultural facilities greenhouse plays an increasingly important role in agricultural produc tion The use of greenhouse effectively reduces the adverse environment of the external environment for the growth of agricultural plants and is one of the effective ways to improve the growth cycle and yield of agricultural plants In the process of planting plants the control of greenhouse environment is very important for the growth of plants The temperature and humidity automatic con trol system of greenhouse designed in this paper uses STC12C5A60S2 single chip as the control chip and realizes the communication between the single chip and the mobile device through ESP8266 and TCP protocol Users can view the real time environment param eters through the LCD1602 LCD or mobile device provided with the system The system supports manual buttons to set up automatic control range and mobile devices to log in the Internet of things platform web pages APP or WeChat official account to see environ mental parameters remote control environment two ways to make the greenhouse environment constant Keywords STC12C5A60S2 ESP8266 TCP protocol Internet of Things IoT LCD1602 作者簡介 肖玲玲 1960 男 碩士 教授 研究方向 信號處理 39 2020年 34期眾創(chuàng)空間 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application ESP8266芯片實現(xiàn)WiFi功能 該模塊通過TCP通信協(xié)議 讓單片機與物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)雙向通信 控制模塊由加溫控 制 水泵控制和風扇控制構(gòu)成 通過該模塊實現(xiàn)對大棚內(nèi) 環(huán)境參數(shù)的自動控制和云控制 圖1 本文系統(tǒng)硬件總設(shè)計 1 2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)主要是使用keil軟件編程系統(tǒng)代碼 以及用tlink網(wǎng)站搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺 keil程序代碼如圖2所 示主要分成延遲處理 A D轉(zhuǎn)換 串口通信 按鍵設(shè)置 傳感 器設(shè)置 LCD1602設(shè)置和WiFi設(shè)置 將部分參數(shù)設(shè)置與 tlink相關(guān)聯(lián) 通過各函數(shù)的相互作用實現(xiàn)系統(tǒng)的功能 圖2 本文系統(tǒng)軟件總設(shè)計 2 系統(tǒng)設(shè)計原理及運用 2 1 STC12C5A60S2單片機 STC12C5A60S2單片機是新一代8051系列雙串口的 單時鐘 機器周期 1T 的單片機 具有高速 低功耗 強抗干 擾能力等特點 它是STC89C52的升級版芯片 傳統(tǒng)的 8051指令代碼可以完全兼容于該單片機 該芯片的工作電 壓在3 3V 5 5V 工作頻率范圍在0 35MHz 該芯片用戶最 高可以應(yīng)用的程序空間為62K字節(jié) 芯片的IO端口共有 40個 IO端口有四種工作模式 分別為弱上拉 強上拉 輸 入 高阻和開漏 該芯片自帶A D轉(zhuǎn)換電路 不用在外加 AD轉(zhuǎn)換電路 它含有兩個全雙工串行通信接口 串口通信 功能比較強大 與STC89C52單片機相比 STC12C5A60S2 單片機的讀取處理速度更快 是STC89C52單片機的8 12 倍 其自帶A D轉(zhuǎn)換電路和PWM 比STC89C52單片機多 了兩個定時器和一個串口 增加了PCA定時器 且內(nèi)部有 EEPROM 帶電可擦可編程只讀存儲器 掉電后數(shù)據(jù)不會 丟失 2 2 土壤濕度數(shù)據(jù)處理 本文設(shè)計的系統(tǒng)采用的是運用電容感應(yīng)原理工作的 土壤傳感器 它避免了傳統(tǒng)土壤濕度傳感器易被腐蝕的缺 點 在使用該傳感器前要進行一個干濕度校準操作 該操 作主要通過分別讀取傳感器在空氣中和水中的數(shù)值來限 定土壤濕度檢測的測量范圍 在矯正代碼燒錄到板子中 后 將傳感器放置在空氣中讀取模擬值X 1 代表干燥的時 候的讀數(shù) 百分比設(shè)定為0 接著將傳感器插入水中讀取 模擬值X 2 代表潮濕環(huán)境下的值 百分比設(shè)定為100 對 獲取的兩個干濕度校準數(shù)據(jù)用線性直線 y kx b擬合 其 中y表示土壤濕度百分比 x表示實時土壤濕度的值 斜率 k X 2 X 1 100 截距b X 1 100 采用的土壤傳感器在空氣中讀取的模擬值X 1 2 13 在水中讀取的模擬值為X 2 1 35 通過計算得到擬合的線 性直線方程為y 213 78x 程序設(shè)計中令土壤傳感器通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取的數(shù) 字信號的值為 tmp 由上文可知 本文系統(tǒng)的DA數(shù)模轉(zhuǎn)換分辨率為 LSB FS 2 10 1 供電電壓為5V 則經(jīng)過DAC后得到的模擬信號的值 Voltage tmp 5 2 10 2 將該值放入擬合的線性直線方程中即可得到大棚內(nèi) 土地中的實時土壤濕度百分比 2 3 WiFi設(shè)置 2 3 1 4G通信技術(shù) 4G通信技術(shù)即第四代移動信息系統(tǒng) 它是從3G通信 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成 它結(jié)合了3G通信技術(shù)和WLAN 技術(shù)兩者的優(yōu)點 并大幅度提升了通信速度 上網(wǎng)速度以 及數(shù)據(jù)傳輸速度等 4G通信技術(shù)的高速讓物聯(lián)網(wǎng)變得可 以實現(xiàn) 物聯(lián)網(wǎng)開始興起 2 3 2 TCP協(xié)議 現(xiàn)在的Internet的主流協(xié)議族為TCP IP協(xié)議族 這是 一個分層 多協(xié)議的通信體系 TCP IP協(xié)議族共分為四層 協(xié)議系統(tǒng)自上而下依次分別是應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層和 數(shù)據(jù)鏈路層 每一層通過對應(yīng)層的協(xié)議完成各自不同的功 能和任務(wù)且封裝后給上層協(xié)議提供服務(wù) TCP協(xié)議是該協(xié)議族中傳輸層的一個常用的協(xié)議 它 比該層協(xié)議之一的UDP協(xié)議更加可靠 它主要通過超時 便重傳數(shù)據(jù)的方式確定接受端給應(yīng)用層提供了端對端 可 靠的基于流的協(xié)議服務(wù) 給通信雙方提供一個穩(wěn)定的連接 道路 TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)流分割成一段報文段 并給每個報 文段確定序號確保數(shù)據(jù)發(fā)送正確 2 3 3 TLINK物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置 TLINK物聯(lián)網(wǎng)是一個面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開放平臺 它 提供網(wǎng)頁端 APP和微信公眾號三個平臺供用戶登錄查看 和控制單片機設(shè)備 系統(tǒng)WiFi物聯(lián)網(wǎng)頁面設(shè)置通過網(wǎng)址https www tlink io 進入TLINK網(wǎng)頁端 添加名字為大棚溫濕度自動控制系 統(tǒng)的設(shè)備 并將設(shè)備的鏈接協(xié)議設(shè)置為TCP協(xié)議 在該設(shè) 40 2020年 34期 眾創(chuàng)空間 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 Technology Innovation and Application 即AQI分類 集中在第 III類 其它類別較少 4 模型評價 采用傳統(tǒng)的KNN算法 效果不佳 并且泛化能力弱 采用反距離加權(quán)的KNN算法 明顯提高了模型的分類正 確率 同時 使用k 折交叉驗證可以有效提高模型的泛化 能力 下一步研究考慮的方向 1 搜集的樣本數(shù)據(jù)集的數(shù)量足夠且保持均衡 2 樣本屬性數(shù)據(jù)的處理 當樣本屬性數(shù)量較多時 不 同屬性的重要程度也不是一樣的 可以考慮屬性加權(quán)或者 是采用主成分分析進行降維處理 參考文獻 1 CHEN Y SHI R SHU S et al Ensemble and enhanced PM10 concentration forecast model based on stepwise regression and wavelet analysis J Atmospheric Environment 2013 74 346 359 2 劉杰 楊鵬 呂文生 等 模糊時序與支持向量機建模相結(jié)合的 PM 2 5 質(zhì)量濃度預(yù)測 J 北京科技大學學報 2014 36 12 1694 1702 3 楊錦偉 孫寶磊 基于灰色馬爾科夫模型的平頂山市空氣污染物 濃度預(yù)測 J 數(shù)學的實踐與認識 2014 44 2 64 70 4 陸志濤 周鵬 吳菲 基于RAM拓展模型的我國城市空氣質(zhì)量 評價 J 環(huán)境經(jīng)濟研究 2017 2 2 93 107 5 賀金龍 吳晟 周海河 等 基于GM 1 1 PCA的環(huán)境預(yù)測與分 析研究 J 信息技術(shù) 2018 1 105 109 6 姜孿娟 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在空氣質(zhì)量預(yù)測中的應(yīng)用 以江蘇 為例 J 信息與電腦 理論版 2018 24 69 70 73 7 生態(tài)環(huán)境部 環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù) AQI 技術(shù)規(guī)定 試行 EB OL 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部 2012 03 02 2019 8 24 http www 備下添加四個數(shù)值型傳感器和三個開關(guān)型傳感器 其中四 個數(shù)值型傳感器分別命名為溫度 濕度 光照強度和土壤 濕度 用來顯示大棚內(nèi)系統(tǒng)硬件檢測的大棚對應(yīng)的實時環(huán) 境參數(shù) 三個開關(guān)型傳感器命名為風扇 加熱和抽水 分別 用來打開或關(guān)閉控制風扇 加熱器和水泵開關(guān)的繼電器 將傳感器單位 精度等設(shè)置好后保存設(shè)備 接著給該設(shè)備 設(shè)置協(xié)議標簽 本文系統(tǒng)設(shè)置的協(xié)議標簽數(shù)據(jù)頭標簽 H 和 結(jié)束符標簽 T 都為 分隔符 S 為 最終編輯的協(xié)議 為 H D S D S D S D S D S D S D T 最后將設(shè)備的序列號復(fù)制到 代碼對應(yīng)位置 完成物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)置 3 系統(tǒng)實驗結(jié)果 將系統(tǒng)用USB連接電腦給系統(tǒng)提供電源 然后用適量 的土壤裹著土壤干濕度傳感器模仿土地環(huán)境 打開系統(tǒng) 通過手機微信端進入TLINK小程序?qū)ο到y(tǒng)進行實驗 實驗 結(jié)果如圖3所示 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)運行正常 4 結(jié)束語 系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)我國目前溫室大棚的現(xiàn)狀與需求給 出的方案 可以用來針對目前運行的大型聯(lián)動傳統(tǒng)溫室控 制系統(tǒng)進行提升改造作參考 系統(tǒng)具有較高的性價比 系 統(tǒng)采用的硬件材料可靠 便宜 系統(tǒng)整體成本低 也適合大 多數(shù)獨立種植的農(nóng)戶中推廣 它結(jié)合了目前移動設(shè)備的普 遍性和便利性 支持手動按鍵方式和遠程控制方式兩種方 式 其中遠程監(jiān)控主要通過ESP8266和TCP協(xié)議實現(xiàn)將放 置在大棚內(nèi)的系統(tǒng)以4G網(wǎng)絡(luò)與移動設(shè)備建立通信連接 讓用戶脫離大棚 遠程對大棚參數(shù)進行監(jiān)控 減少人工的 負擔 對提過生產(chǎn)效率具有較好的實際意義 參考文獻 1 孫慶波 鮑忠宇 基于單片機的溫室大棚濕度監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè) 計 J 中外企業(yè)家 2018 33 137 2 薄英男 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實驗 D 新疆農(nóng)業(yè)大 學 2017 1 2 3 雷長根 李昆侖 付若松 智能溫室大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計 J 電子制作 2020 26 Z1 24 25 4 韓毅 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚智能控制系統(tǒng)研究 D 太 原理工大學 2016 2 3 5 劉錦 溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng) J 南方農(nóng)機 2020 51 06 28 29 圖3 上接38頁 41