基于Arduino的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

彭懷濤 彭奇威 邢靖 張瑞雪 許建國

摘要： 物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)帶來了許多便利。本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)以Arduino開發(fā)板為核心，通過溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集，用戶可以通過Web端實(shí)現(xiàn)溫室大棚的實(shí)時監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，方案切實(shí)可行，具有一定的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞： 溫室大棚;環(huán)境監(jiān)測;Arduino

基金：長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S201913245011）

前言

中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，就整體情況而言，我國的農(nóng)業(yè)勞作無論是從規(guī)模，還是技術(shù)上都存在著明顯的不足。大多數(shù)溫室大棚智能化程度較低，對大棚內(nèi)部環(huán)境的控制上，依然采取人為手動控制，費(fèi)時費(fèi)力，而且無法做到對大棚內(nèi)部環(huán)境的及時監(jiān)控與調(diào)節(jié)。因此，本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計方案，用來檢測溫室大棚中溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，通過智能控制補(bǔ)光燈、澆水器、加熱器等設(shè)備來調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部環(huán)境，為植物提供更好的生存環(huán)境，可以有效的節(jié)省人力物力，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由Arduino主控模塊、GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、功能控制模塊等組成。其中GPRS通信模塊選用低功耗的SIM800A;數(shù)據(jù)采集模塊包括DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強(qiáng)度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器;功能控制模塊由澆水器、加熱器、加濕器、補(bǔ)光燈、排氣扇、繼電器等組成。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

硬件各模塊功能介紹如下：

主控模塊

采用Arduino UNO模塊作為主控模塊，通過引腳輸出高低電平的方式去控制其他模塊。Arduino模塊帶有一個微控制器，用戶可以將編寫的程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器中。與電腦的USB接口相連，通過Arduino開發(fā)工具的串口監(jiān)視器來查看引腳的狀態(tài)。Arduino帶有多個模擬信號引腳和數(shù)字信號引腳，可以通過引腳連接傳感器和繼電器等多個模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊

采用了DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強(qiáng)度傳感器，YL-69土壤濕度傳感器等傳感器。DHT11連接Arduino上的模擬信號引腳，BH1750、YL-69連接Arduino的數(shù)字信號引腳。當(dāng)系統(tǒng)上電后，傳感器會自動將采集的16進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸給Arduino模塊。

通信模塊

使用SIM800A，通過與Arduino主控模塊上的TX，RX引腳相連，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。Arduino以報文的形式，將采集到的數(shù)據(jù)打包成JSON格式，然后傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器?？蛻舳说捻憫?yīng)信息由GPRS模塊傳回給Arduino主控模塊。

功能實(shí)現(xiàn)模塊

采用現(xiàn)有的補(bǔ)光、澆水等設(shè)備，使用繼電器作為設(shè)備的總開關(guān)，通過改變Arduino上相關(guān)引腳的高低電平去實(shí)現(xiàn)控制。每個引腳都設(shè)定一個指令，通過反饋的指令信息去改變相關(guān)引腳的電平，從而實(shí)現(xiàn)一對一的控制功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件由SSM框架結(jié)合HTML5前端技術(shù)設(shè)計而成。系統(tǒng)后端程序采用Java語言編寫，程序的Mapper和Service層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和業(yè)務(wù)邏輯，由前端控制器DispatcherServlet實(shí)現(xiàn)Web端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互。在視圖渲染上采用了響應(yīng)式開發(fā)技術(shù)，適用于手機(jī)端和PC端。用戶可以通過Web端查詢大棚內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，若環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常，用戶可以通過Web端手動控制溫室大棚的澆水器、排氣扇、加熱器等設(shè)備來進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化和遠(yuǎn)程管理。

系統(tǒng)運(yùn)行原理

本系統(tǒng)主要以Arduino為控制主板，通過連接溫度、濕度、光照強(qiáng)傳感器等其他設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集。Arduino通過連接SIM800A的GPRS遠(yuǎn)程通信模塊，將數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，再由后端程序?qū)?shù)據(jù)解析并保存在數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過Web網(wǎng)頁發(fā)送指令到服務(wù)器，服務(wù)器再將指令通過TCP通道傳輸給GPRS通信模塊.每條指令分別控制著一個繼電器，每個繼電器對應(yīng)一種控制功能。

系統(tǒng)測試

首先，將程序打包上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，模擬用戶進(jìn)行注冊登錄，再打開相應(yīng)頁面，進(jìn)行功能測試。為了方便用戶便于查看，將解析后的數(shù)據(jù)渲染成JSP頁面，以折線圖的形式展示給用戶，如下圖圖2所示（由于篇幅有限，僅給出溫度圖）。

結(jié)語

本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)由Arduino主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS通信模塊、功能控制模塊構(gòu)成，使用溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集，用戶可以通過Web端實(shí)現(xiàn)溫室大棚的實(shí)時監(jiān)控和智能控制。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，方案切實(shí)可行，具有一定的實(shí)用價值。

參考文獻(xiàn)

劉亞偉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)研究[D].長春工業(yè)大學(xué)，2018.

江杰，岳云東.智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化應(yīng)用，2018（01）：33–35.