基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究

李寶生 康健麗 肖鎮(zhèn)中 禹化有

摘? 要：本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。傳感器采集大棚內(nèi)的實時溫度、濕度和二氧化碳濃度，經(jīng)過微控制器計算處理后通過ZigBee無線傳輸技術(shù)送至AT89S51主控制器和云平臺;主控制器根據(jù)設(shè)定規(guī)律控制電動卷簾機、風(fēng)機、二氧化碳發(fā)生器運行狀態(tài)，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的智能控制;通過遠程PC、手機等移動設(shè)備實現(xiàn)對大棚環(huán)境的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)操作簡單，工作穩(wěn)定，效率高、誤差小，能夠有效地提高大棚種植的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)? 大棚? 智能監(jiān)控? 系統(tǒng)

中圖分類號：S625;TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0129-03

Abstract： This paper designs an environment monitoring system for greenhouse based on internet of things. The sensor collects the real-time temperature， humidity and CO2 concentration in the greenhouse， and sends it to the main controller of AT89S51 and the cloud platform through ZigBee technique after computing and processing by the microcontroller. The main controller controls the running state of electric roller shutter， fan and CO2 generator according to the set rule， and realizes the intelligent control of greenhouse environment. Through remote PC， mobile phone it can achieve real-time monitoring of the greenhouse environment. The system is simple to operate， stable to work， high efficiency， small error， and can effectively improve the economic benefits of greenhouse planting.

Key Words： Internet of things; Greenhouse; Intelligent control; System

社會城市化加速發(fā)展，大量的農(nóng)村勞動力流動到城市務(wù)工，導(dǎo)致農(nóng)村耕地種植方式由個體小規(guī)模種植向集體大規(guī)?；l(fā)展[1-3]。由于能夠帶來較高的經(jīng)濟效益，大棚種植方式成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要載體，但由于大棚中多種植精品作物或反季作物，對大棚中的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等要求更高[4]-[5]。傳統(tǒng)大棚靠人工根據(jù)經(jīng)驗收放保溫卷簾、開關(guān)通風(fēng)口來調(diào)節(jié)溫、濕度等，在大規(guī)模的大棚種植模式下需要大量的人工，這就帶來了費人、費力、費錢的問題，制約了大棚種植模式的發(fā)展[6]。隨著近些年設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，和大棚相關(guān)的裝備設(shè)施逐步走向機械化、智能化，應(yīng)用到大棚環(huán)境智能控制的監(jiān)控系統(tǒng)也越來越多[7-8]，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，預(yù)先在系統(tǒng)中輸入根據(jù)經(jīng)驗和研究得出的不同時間有助于作物生長的溫度、濕度和二氧化碳濃度范圍值，通過傳感器采集大棚內(nèi)的實時溫度、濕度和二氧化碳濃度并傳輸給主控制器和給定范圍作對比，判斷執(zhí)行相關(guān)自動裝置，同時將數(shù)據(jù)傳送給云平臺，實現(xiàn)通過遠程PC、手機等移動設(shè)備對大棚溫度、濕度、二氧化碳濃度的遠程實時監(jiān)測。該系統(tǒng)控制大棚環(huán)境的效率高、誤差小，可以大量節(jié)省人力、物力，為作物提供最適宜的生長環(huán)境，對推動大棚生產(chǎn)智能化有重要的意義。

1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由傳感器部分、無線通信部分、主控制器和遠程監(jiān)測部分組成，如圖1所示。

傳感器部分主要是通過不同種類的傳感器來獲取大棚內(nèi)的溫度、濕度和二氧化碳實時數(shù)據(jù)。無線通信部分是負責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器處理后通過ZigBee無線傳輸技術(shù)傳送至主控制器和云平臺。

主控制器負責(zé)獲取大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)，并按照規(guī)則向電動卷簾機、風(fēng)機、二氧化碳發(fā)生器下發(fā)控制命令。云平臺主要實現(xiàn)遠程PC、手機等移動設(shè)備對大棚環(huán)境的實時監(jiān)測。

1.2 傳感器位置分布

由于大棚占地面積大，各個位置的環(huán)境差別較大，需要對采集大棚的傳感器進行合理的布置，通過獲取大棚不同部位的環(huán)境數(shù)據(jù)進行融合來確定當(dāng)前大棚內(nèi)環(huán)境的實際參數(shù)。

若將每個傳感器作為一個檢測節(jié)點，1號節(jié)點在入門位置，3～6號節(jié)點在大棚的四個角落，7、8號節(jié)點在大棚中間兩側(cè)的位置。通過不同節(jié)點獲取大棚內(nèi)部7個不同位置的溫度、濕度、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)再計算平均值，得出大棚內(nèi)的誤差較小的環(huán)境參數(shù)。

1.3 主控制器

設(shè)計的系統(tǒng)的核心主控制器是AT89S51單片機，該8位單片機由美國ATMEL公司生產(chǎn)，采用高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，性能高、功耗低，能夠很好地兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)，單片機在內(nèi)部集成著：引腳40個、4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器、28bytes隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口、5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷、2個16位可編程定時計數(shù)器、2個全雙工串行通信口、看門狗（WDT）電路、片內(nèi)時鐘振蕩器，同時能夠以PDIP、TQFP和PLCC三種形式進行封裝，更便捷地作為控制應(yīng)用系統(tǒng)主控制器。

1.4 溫度傳感器及溫度調(diào)控

系統(tǒng)選取的是熱電阻式的Pt100溫濕度傳感器，該傳感器的溫度采集范圍為：-200℃～+850℃，工作原理是利用熱電阻的溫度與阻值變化之間的關(guān)系：R=Ro（1+αT）。（α=0.00392，為鉑電阻溫度系數(shù);Ro是鉑電阻0℃的電阻值;T是攝氏溫度）。

種植在大棚內(nèi)的農(nóng)作物在適宜的溫度下，更有利于進行光合作用，大棚內(nèi)的溫度過高或過低都不利于農(nóng)作物生長。本系統(tǒng)對大棚內(nèi)溫度的調(diào)控主要是：（1）當(dāng)傳感器監(jiān)測到的實時溫度傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后高于作物最適宜生長溫度值時，主控制器發(fā)出指令，電動卷簾機動作打開卷簾;（2）當(dāng)傳感器監(jiān)測到的實時溫度傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后低于作物最適宜生長溫度值時或在作物最適宜生長溫度值范圍內(nèi)時，主控制器發(fā)出指令，電動卷簾機動作放下卷簾。

1.5 濕度傳感器及濕度調(diào)控

系統(tǒng)選用的是YL69濕度傳感器，該傳感器測量精度高且硬件電路簡單，可以能夠適應(yīng)測試不同土質(zhì)土壤的濕度。

空氣濕度過大會導(dǎo)致作物葉面沾濕，是大棚作物病害多發(fā)的最主要因素之一，因此嚴(yán)格控制大棚環(huán)境濕度，是大棚作物健康生長的重要手段。本系統(tǒng)對大棚內(nèi)濕度的調(diào)控主要是：（1）當(dāng)傳感器將監(jiān)測到的實時大棚濕度值傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后大于作物最適宜生長濕度值時，主控制器發(fā)出指令，大棚內(nèi)的風(fēng)機工作，降低大棚環(huán)境濕度。（2）當(dāng)傳感器將監(jiān)測到的實時濕度值傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后小于作物最適宜生長濕度值或在作物最適宜生長濕度值范圍內(nèi)時，主控制器發(fā)出指令，風(fēng)機停止工作。

1.6 二氧化碳傳感器及二氧化碳值調(diào)控

系統(tǒng)選用的是MH-Z14A二氧化碳傳感器，該傳感器為通用、智能、小型傳感器，工作原理是利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中的二氧化碳進行探測，具有可靠性高、使用方便的特點。

二氧化碳是植物進行光合作用的重要因素，合理控制大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，有利于作物健康生長。本系統(tǒng)對大棚內(nèi)二氧化碳濃度的調(diào)控主要是：（1）當(dāng)傳感器將監(jiān)測到的實時大棚二氧化碳濃度值傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后小于作物最適宜生長的二氧化碳濃度時，主控制器發(fā)出指令，二氧化碳發(fā)生器開始工作，制造二氧化碳氣體。（2）當(dāng)傳感器將監(jiān)測到的實時大棚二氧化碳濃度值傳輸?shù)街骺刂破鬟M行對比后大于作物最適宜生長的二氧化碳濃度或在作物最適宜生長的二氧化碳濃度值范圍內(nèi)時，主控制器發(fā)出指令，二氧化碳發(fā)生器停止工作。

1.7 無線通信模塊

無線通信模塊采用的是核心芯片為CC5230的ZigBee無線收發(fā)模塊，每個節(jié)點的傳感器值經(jīng)過微控制器處理后再經(jīng)無線傳輸至主控制器和云平臺，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)控。

2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于大棚內(nèi)環(huán)境每時每刻都在變化，因此各傳感器需要不斷采集數(shù)據(jù)傳輸至主控制器進行對比，規(guī)定系統(tǒng)啟動后為自動模式，主控制器獲取各傳感器取平均值后的數(shù)據(jù)和給定范圍值進行對比，得出對比結(jié)果后實現(xiàn)對大棚環(huán)境的調(diào)控。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

3? 結(jié)語

本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r獲得大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度數(shù)值，并通過與設(shè)定值對比后自動做出動作，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的自動調(diào)節(jié)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對大棚環(huán)境的遠程監(jiān)控，該系統(tǒng)操作簡單，可靠性高，能夠大大降低人工成本，實現(xiàn)對大棚環(huán)境的自動化智能監(jiān)控。

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