基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚多點光照度采集與管理系統(tǒng)

李輝+周忠凱+陶建平

摘要：針對我國高效、精細(xì)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，為滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求，設(shè)計1種可用于溫室大棚的多點光照度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機為核心，以BH1750為光照度采集單元，用RS-485模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，使用VB.NET進行上位機的開發(fā)，以SQL Server為后臺數(shù)據(jù)庫，用ASP.NET進行網(wǎng)頁開發(fā)，對采集系統(tǒng)進行全封閉處理，以適應(yīng)不同的監(jiān)測環(huán)境，實現(xiàn)對不同點光照度的采集、無線傳輸、自動存儲以及遠程監(jiān)測，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方通過瀏覽器查看并獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗測試，該系統(tǒng)測量誤差在±6%以內(nèi)，且測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間差異不顯著，滿足使用要求。該系統(tǒng)為在不同光照條件下的合理選種與密植提供了設(shè)施基礎(chǔ)，并在一定程度上推動了設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；多點；光照度；無線通信；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類號： S126 文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0388-04

隨著我國精細(xì)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展[1-7]，要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠高效產(chǎn)出，因此對設(shè)施農(nóng)業(yè)[8-11]的要求不斷提高；同時，隨著科技水平的提高，農(nóng)業(yè)設(shè)施的科技含量也得到很大提升。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光照是重要的環(huán)境因素之一[12-15]，應(yīng)該因地制宜、充分利用光照以提高產(chǎn)出，根據(jù)光照情況進行合理選種與密植是實現(xiàn)精細(xì)與高效農(nóng)業(yè)的重要手段，為此需要對光照進行實時監(jiān)測，了解光照情況變化。由于光照監(jiān)測是長期、高耗時的工作，因此本研究設(shè)計適合不同監(jiān)測環(huán)境的多點光照度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對大棚中不同點的光照情況進行采集，能夠?qū)Σ杉男畔⑦M行無線傳輸、自動存儲，并可對數(shù)據(jù)進行遠程管理。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由采集系統(tǒng)、無線傳輸模塊、上位機、服務(wù)器、遠程監(jiān)測與管理系統(tǒng)等組成[16]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

在進行光照度采集前需要對上位機進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，主要設(shè)置進行光照度采集的時間間隔以及正確輸入上位機與采集系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的校對碼，然后通過無線傳輸裝置將校對碼發(fā)送到下位機，下位機將校對碼與預(yù)設(shè)校對碼進行比對，如果輸入的校對碼錯誤，系統(tǒng)將提示，如果輸入校對碼正確，下位機采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，上位機將數(shù)據(jù)實時顯示在界面上并存儲到該PC機的數(shù)據(jù)庫中，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，打開網(wǎng)絡(luò)頁面并正確輸入用戶名、密碼將可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和查詢、下載歷史數(shù)據(jù)。

2 采集系統(tǒng)

2.1 單片機控制系統(tǒng)程序設(shè)計

下位機采集系統(tǒng)[17-20]采用32位STM32F103C8T6 MCU為處理器，為節(jié)省系統(tǒng)資源，通過上位機設(shè)置信息采集間隔，上位機定時向下位機發(fā)送校對碼，下位機比對校對碼，正確則進行數(shù)據(jù)采集并將采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，循環(huán)作業(yè)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.2 光照度采集單元

光照度采集單元由濾光器、光電元件以及接口電路等組成（圖3）。光照度采集單元濾光器采用菲涅耳透鏡進行光照余弦補償，將一定角度內(nèi)的光照集中到光電元件上，提高接收靈敏度，光照度采集檢測單元工作流程如圖4所示，該系統(tǒng)采用的菲涅爾透鏡（圖5）是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，菲涅爾透鏡在很多時候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡。

光照度采集單元中光電元件為BH1750傳感器[21]，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出數(shù)字信號，不需要再進行復(fù)雜的計算。該傳感器使用方便，環(huán)境適應(yīng)性強。

3 信息采集管理系統(tǒng)設(shè)計

信息采集管理系統(tǒng)主要完成信息的實時顯示、存儲、歷史相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢以及向下位機發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、利用網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器等，采集到的數(shù)據(jù)將保存到上位機的電腦上，其工作界面見圖6。同時，發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動備份，保證數(shù)據(jù)的安全，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

3.1 信息管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

信息管理系統(tǒng)軟件采用VB.NET進行程序開發(fā)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲、實時顯示、查詢以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等功能；在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表中存儲了數(shù)據(jù)采集時間與16個采集點數(shù)據(jù)的17個表項，并實現(xiàn)對查詢數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，為數(shù)據(jù)利用和處理提供了方便。通過服務(wù)器IP、數(shù)據(jù)庫名稱、用戶名和密碼對服務(wù)器進行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程保存與備份：conn.ConnectionString=“Server=199.182.x.x；DataBase=RecordDB；User=JAAS；Pwd=ABC；”。

3.2 計算機與單片機通訊

計算機通過串口與無線發(fā)送裝置（圖7）相連，通訊協(xié)議為采用異步方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b/s，無校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位結(jié)束位，無線發(fā)送裝置采用RFD5800多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊，傳輸距離為1 000 m；由于現(xiàn)有的計算機基本不配備串口功能，為此使用CP2102芯片實現(xiàn)USB與串口的轉(zhuǎn)換（圖8），采用Max3485實現(xiàn)TTL電平與RS-485電平的轉(zhuǎn)換（圖9）。電平轉(zhuǎn)換代碼：

4 遠程監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

如圖10所示，遠程監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用ASP.NET進行開發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行操作，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)的管理和下載，避免了數(shù)據(jù)管理和處理的不便；根據(jù)系統(tǒng)分配的不同角色，不同的用戶名具有不同的操作權(quán)限，有效避免了對系統(tǒng)的誤操作，保證了系統(tǒng)的安全。

5 安裝與測試

該系統(tǒng)自2013年12月13日至今在江蘇省淮安市淮陰區(qū)光伏電站試用，自安裝調(diào)試完成后無故障出現(xiàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠；該系統(tǒng)以泰仕電子工業(yè)股份有限公司的手持式照度計（型號TES-1332A，量程范圍0.1～200 000.0 lx，分辨率0.1 lx）為測量參考（即標(biāo)準(zhǔn)值）。由表1可知：該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)值相比測量誤差為±6%，滿足使用要求。對標(biāo)準(zhǔn)值與測量值進行方差分析（顯著性水平α=0.05），由表2可知：F值=0.005 4980.05，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值間差異不顯著。