基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

孫 康，王靜秋，冷 晟，葉文華

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

農(nóng)業(yè)作為我國的第一產(chǎn)業(yè)，是支撐國民經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。我國正處于由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的過渡時期［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，智慧農(nóng)業(yè)煥發(fā)出新的動力，“物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)”應(yīng)運而生［2］。從農(nóng)產(chǎn)品的種植到收獲，其生長的各階段均可使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以提高生產(chǎn)效率和精細(xì)管理［3］。近年來，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)化取得了快速發(fā)展［4］，作為設(shè)施農(nóng)業(yè)重要形式的溫室大棚，其物聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展趨勢也日益明顯。

目前我國已經(jīng)成為全世界溫室大棚種植面積最大的國家。在溫室大棚的管理過程中，棚內(nèi)環(huán)境對作物生長起著至關(guān)重要的作用，因此諸如空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度、土壤墑情等環(huán)境參數(shù)的采集、監(jiān)測和分析就顯得極其重要［5］。溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是提高溫室作物產(chǎn)量、減少勞動力成本的關(guān)鍵技術(shù)，代表了溫室生產(chǎn)的核心競爭力［6］。國外的溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)較為成熟，智能化和自動化水平高，但引入造價高且安裝維護復(fù)雜［7］。國內(nèi)溫室大棚監(jiān)測起步較晚。馬為紅［8］等人設(shè)計了基于ZigBee和GPRS無線傳輸?shù)臏厥噎h(huán)境智能監(jiān)測和報警系統(tǒng)，但組網(wǎng)復(fù)雜且安裝成本高。秦琳琳［6］等人設(shè)計了基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集和基于Ajax的數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)，但系統(tǒng)基于計算機開發(fā)，設(shè)備體積大、硬件成本高。張新良［9］等人給出了基于RS485總線和WiFi網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方案，但局限于上位機操作。雖然近年來國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)溫室環(huán)境監(jiān)控的研究有了諸多成果，但還存在設(shè)備體積大、功耗高、成本高等不足。

當(dāng)前我國溫室大棚大多處在中、小規(guī)模，為適應(yīng)國內(nèi)溫室大棚特點，吸引中小型種植戶的資金投入，智能化監(jiān)控系統(tǒng)的引入要考慮整個系統(tǒng)的造價［10］。圍繞現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚的發(fā)展需求，以智慧農(nóng)業(yè)“感知、傳輸、處理、應(yīng)用”為主線，以中科芯32位單片機為控制核心，綜合應(yīng)用各類傳感器技術(shù)，以可控的成本設(shè)計了溫室大棚綜合監(jiān)測與管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測的微型化、智能化、自動化。

1 總體設(shè)計方案

所設(shè)計的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由智能感知器、功能執(zhí)行器、人機交互界面及無線傳輸模塊4個部分組成，如圖1所示。各功能模塊協(xié)作完成對溫室大棚內(nèi)影響農(nóng)作物生長的各項參數(shù)的采集和調(diào)控。此外，系統(tǒng)可將采集的各項參數(shù)信息及執(zhí)行器狀態(tài)信息發(fā)送到網(wǎng)頁及手機客戶端，便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成包括電源及穩(wěn)壓模塊、CS32F103控制器、按鍵輸入模塊、各路傳感器模塊、OLED顯示模塊、LED指示模塊、繼電器控制模塊及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等，各部分連接情況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

1.1 溫室大棚智能感知器

智能感知器基于中科芯控制芯片，通過對溫室大棚環(huán)境的多點布局，實現(xiàn)對空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度的實時采集。

系統(tǒng)所用溫濕度傳感器DHT11使用單總線協(xié)議，方便應(yīng)用于多點布局。溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)在長時間工作后，主控板的溫度會逐漸升高，造成直接安放在主控板的溫度傳感器的采樣值偏大，這將使得后期的分析控制產(chǎn)生偏差。CS32F103芯片內(nèi)設(shè)溫度傳感器，當(dāng)內(nèi)部芯片溫度過大時將對板載溫度傳感器進行溫度補償，以減弱主控板升溫帶來的影響。溫度補償公式為

式中，To為輸出溫度；Ti為傳感器采樣溫度；Tc為芯片溫度；Tt為溫度補償閾值；ρ為溫度補償系數(shù)。

系統(tǒng)使用的土壤濕度傳感器FC-28根據(jù)土壤的含水量與其導(dǎo)電性的正相關(guān)性原理進行土壤濕度的檢測。實際使用中發(fā)現(xiàn)濕度采樣值偶爾出現(xiàn)偏差較大的峰谷值。由于濕度的檢測具有一定的時滯性，選擇中位值平均濾波法，即連續(xù)采樣后去除最大最小值取平均的方法，以防止脈沖干擾。濾波公式為

式中，Mo為輸出土壤濕度；Mi為連續(xù)采樣濕度；n為采樣次數(shù)。

1.2 溫室大棚功能執(zhí)行器

功能執(zhí)行器基于中科芯控制芯片，通過4路LED指示燈顯示采集的各路傳感器信息是否超出設(shè)定的閾值，通過傳感器聯(lián)動及繼電器控制實現(xiàn)對排風(fēng)機、水泵、警報蜂鳴器、補光燈等設(shè)備的執(zhí)行控制。

1.3 人機交互界面

人機交互界面的顯示設(shè)備為I2C總線通信模式的OLED，輸入設(shè)備為五向開關(guān)按鍵，存儲設(shè)備為掉電不丟失的AT24C02芯片。用戶可結(jié)合按鍵和屏幕更改各組控制參數(shù)閾值并實時查看傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整后的閾值保存在AT24C02芯片中于系統(tǒng)重啟后生效。

1.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊使用器件為ESP8266 WiFi模塊，傳輸協(xié)議為HTTP協(xié)議，上傳的數(shù)據(jù)包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度及各路執(zhí)行機構(gòu)控制信息。用戶可通過網(wǎng)頁及客戶端查看各組數(shù)據(jù)，以了解溫室環(huán)境狀況。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)控制器選用的是中科芯CS32F103C8T6，芯片內(nèi)核為 ARM 32位 Cortex-M3，工作頻率最高72 MHz，內(nèi)置64 KB的閃存儲器，具有豐富的外設(shè)資源。光照強度采集芯片選用BH1750FVI芯片。該芯片具有高分辨率，支持較大范圍的光照強度變化等優(yōu)點。土壤濕度采集基于LM393芯片設(shè)計，可將土壤濕度探測頭的阻值轉(zhuǎn)化為電壓值輸入，通過電位器調(diào)節(jié)比較電壓可輸出數(shù)字量。

系統(tǒng)在滿足使用要求的前提下選用了小體積、低功耗、低成本的芯片，以簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低安裝、使用和維護成本。

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)程序主要包括人機交互程序、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸程序、系統(tǒng)控制程序等部分。

3.1 人機交互程序設(shè)計

人機交互程序流程如圖3所示。人機交互按功能劃分為3個顯示界面：閾值選擇主界面、閾值設(shè)置二級界面、傳感器數(shù)據(jù)顯示界面。

圖3 人機交互程序設(shè)計流程圖

初始化完成后系統(tǒng)顯示閾值選擇主界面，主界面為空氣濕度、空氣溫度、土壤濕度、光照強度4組閾值參數(shù)的設(shè)置入口。當(dāng)功能按鍵按下后，系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前界面屬性處理按鍵消息并執(zhí)行各項功能。主界面可切換至所選參數(shù)組的閾值設(shè)置二級界面和傳感器數(shù)據(jù)顯示界面。二級界面下，用戶可通過五向開關(guān)按鍵修改閾值參數(shù)并保存到AT24C02芯片中。數(shù)據(jù)顯示界面顯示上述4組傳感器數(shù)據(jù)，并可通過按鍵刷新信息。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸基于ESP8266與中移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計，其程序設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計流程圖

首先，系統(tǒng)通過CS32F103C8芯片的USART模塊向ESP8266模塊發(fā)送AT指令以完成硬件初始化，并配置連接WiFi網(wǎng)絡(luò)。然后，基于中移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺，設(shè)計溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程界面，包括網(wǎng)頁端和手機客戶端，以方便用戶隨時隨地查看溫室當(dāng)前的環(huán)境狀況。最后，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行設(shè)備的工作狀態(tài)等生成數(shù)據(jù)報文，基于HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)報文上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺。

系統(tǒng)使用HTTP協(xié)議的POST方法向設(shè)備云上傳數(shù)據(jù)流，每條數(shù)據(jù)流由API秘鑰、設(shè)備ID及一個或多個數(shù)據(jù)點組成，每個數(shù)據(jù)點由標(biāo)識符及對應(yīng)傳感器采樣值組成。在物聯(lián)網(wǎng)平臺上針對該設(shè)備創(chuàng)建應(yīng)用，將接收的各組數(shù)據(jù)點通過儀表盤、折線圖等方式進行可視化，完成系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)界面的創(chuàng)建工作。

溫室環(huán)境監(jiān)測對即時性要求不高，在調(diào)試階段將每輪數(shù)據(jù)傳輸定時為5 s可方便查看傳輸數(shù)據(jù)是否正常。后期應(yīng)用可延長定時時間，以提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。

3.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)初始化完成后采集傳感器數(shù)據(jù)，據(jù)此完成對執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制，程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制程序設(shè)計流程圖

采集的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等傳感器數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，與存儲在AT24C02芯片中的閾值相比較，根據(jù)比較結(jié)果控制繼電器工作狀態(tài)，進而控制風(fēng)扇、水泵、補光燈等的執(zhí)行動作。此外，通過4路LED指示溫室當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)是否正常。

系統(tǒng)總體流程可總結(jié)為：按鍵掃描與消息處理、顯示界面刷新、數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)定時傳輸。

4 系統(tǒng)的實驗結(jié)果

電路連接與程序編寫完成后，搭建溫室大棚簡易模型并將監(jiān)控系統(tǒng)安裝到模型中，完成程序調(diào)試和功能復(fù)現(xiàn)等工作。

測試方式如下：通過人機界面查看實時采集的數(shù)據(jù)，并通過按鍵操縱更改閾值參數(shù)，斷電后重啟系統(tǒng)查看參數(shù)是否生效；通過環(huán)境干預(yù)和閾值更改的方法查看指示燈及控制設(shè)備運行是否正常；通過登錄網(wǎng)頁及手機客戶端操作平臺查看數(shù)據(jù)傳輸是否正常。

人機交互的測試過程如圖6所示。圖6(a)為閾值選擇主界面，圖6(b)為空氣濕度組閾值設(shè)置二級界面，圖6(c)為傳感器數(shù)據(jù)顯示界面。經(jīng)測試，數(shù)據(jù)采集與屏幕顯示正常，閾值更改與存儲正常。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手冊和實際測量，系統(tǒng)各項參數(shù)檢測精度如表1所示。其中土壤濕度檢測精度未知。

圖6 人機交互測試界面

表1 各項參數(shù)檢測精度

網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏y試界面如圖7所示。界面左側(cè)記錄4組傳感器數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度；右側(cè)顯示4組控制設(shè)備開關(guān)標(biāo)志，包括高溫警報、換氣風(fēng)扇、水泵噴水、補光開關(guān)。經(jīng)測試，控制設(shè)備運行正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。

圖7 溫室環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)頁界面

5 結(jié)束語

所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可采集溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，控制輔助植物生長的調(diào)節(jié)設(shè)備，并可通過網(wǎng)頁和手機客戶端對溫室大棚進行遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)成本低廉，使用方便，具有良好的應(yīng)用前景。系統(tǒng)后期可從多節(jié)點數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助決策等方面進行改進和擴展，為農(nóng)業(yè)活動的智能化自動化控制提供更好的保障。