基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

王浩臣 秦國慶 呂植越 朱世杰 蔡宇陽

摘? ?要：近年來，溫室大棚技術(shù)展現(xiàn)出巨大經(jīng)濟(jì)潛力，自動化的大棚監(jiān)控系統(tǒng)也顯得尤為重要，然而目前市場上所售的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)存在兩點(diǎn)不足：設(shè)備自動化程度較低、造價高昂。文章針對上述情況，設(shè)計了一種新型的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)，下位機(jī)多點(diǎn)分布采集和控制，上位機(jī)集中處理數(shù)據(jù)產(chǎn)生決策控制信息，主從機(jī)之間采用無線網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)環(huán)境集中控制、數(shù)據(jù)實(shí)時上傳網(wǎng)絡(luò)、用戶在線查看等功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚;智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng);“互聯(lián)網(wǎng)+”

近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，大棚技術(shù)得到了極為廣泛的推廣和應(yīng)用[1]，然而傳統(tǒng)的人工控制方式很難滿足科學(xué)種植的要求，農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)有效彌補(bǔ)了人工技術(shù)方面的不足，使農(nóng)業(yè)大棚種植真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)化管理[2-3]。但市場上已有的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)普遍存自動化程度較低且造價昂貴的問題[4-5]。本文提出一種新型農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，以較低的成本實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的自動化控制。系統(tǒng)以STC15單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計，將多種環(huán)境檢測單元集成為獨(dú)立的環(huán)境檢測點(diǎn)，對多種基礎(chǔ)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，使用無線通信技術(shù)將多個環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總處理，并通過WiFi協(xié)議連接至互聯(lián)網(wǎng)平臺[6-7]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時環(huán)境的反饋控制、數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)平臺、用戶在線查看控制等功能。以較低的價格滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)的必要需求。

1? ? 系統(tǒng)整體設(shè)計

大棚智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1所示，系統(tǒng)由一臺主機(jī)、8臺數(shù)據(jù)采集從機(jī)、兩臺反饋從機(jī)和云服務(wù)平臺組成（數(shù)據(jù)采集從機(jī)和反饋從機(jī)僅各列舉一臺）。主機(jī)定時向8臺數(shù)據(jù)采集從機(jī)依次發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，數(shù)據(jù)采集從機(jī)接收到指令后讀取當(dāng)前某定點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)預(yù)處理[8]并編碼發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)給出控制決策使從機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)動作，同時將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、圖表化，為用戶提供便利的監(jiān)控平臺。

2? ? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 從機(jī)硬件設(shè)計

從機(jī)硬件可分為電源、控制電路和功能電路。從機(jī)電源電路設(shè)計為通過太陽能電池供電增強(qiáng)靈活性。為了防止太陽能板使用過程中出現(xiàn)過壓和浪涌沖擊控制電路，可以在電源電路中添加3.7 V的鋰電池收集光照強(qiáng)烈時多余的電能，同時使用LM7805芯片構(gòu)成穩(wěn)壓限流電路，維持從機(jī)電路電壓和電流的穩(wěn)定性。反饋從機(jī)安裝于水泵電機(jī)或散熱扇電機(jī)附近，通過繼電器對電機(jī)控制，因此可將反饋從機(jī)電源電路接入220 V交流電網(wǎng)，通過降壓、穩(wěn)壓、限流電路將交流電轉(zhuǎn)換為5 V直流，對控制電路和無線通信模塊進(jìn)行供電。兩種從機(jī)控制電路都采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為中心控制單元，該芯片內(nèi)部集成高精度R/C時鐘，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路，并具有兩組超高速異步串行通信端口和8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換端口。從機(jī)按照所執(zhí)行功能的不同分為數(shù)據(jù)采集從機(jī)和反饋從機(jī)。數(shù)據(jù)采集從機(jī)通過使用DHT11溫濕度采集模塊、YL-69土壤濕度傳感器、BH1750光照度模塊對基礎(chǔ)環(huán)境信息進(jìn)行采集，同時將STC15F2K60S2剩余的A/D轉(zhuǎn)換端口引出，支持用戶后期根據(jù)需求添加傳感器模塊。反饋從機(jī)的功能電路通過光耦合繼電器的組合，控制220 V異步交流電機(jī)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2? 主機(jī)硬件設(shè)計

主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，主要為電源和控制電路。主機(jī)使用外置充電器充電，并配合內(nèi)置的5 V可充電鋰電池為主機(jī)電路進(jìn)行供電。電路板內(nèi)置3.3 V降壓限流電路，降壓電路選用AMS1117-3.3芯片配合外部電路進(jìn)行設(shè)計，具有限流和過熱切斷的功能，可在供電單元發(fā)生過壓和浪涌時有效維持主機(jī)電路內(nèi)部電壓電流穩(wěn)定。由于連接互聯(lián)網(wǎng)所使用的ESP-01S模塊額定電壓為3.3 V，所以選用3.3 V供電的STC15L2K60S2作為主機(jī)主控芯片，該芯片的功能與從機(jī)使用的STC15F2K60S2完全相同。數(shù)據(jù)處理電路配備有EEPROM存儲單元，將主機(jī)采集到的數(shù)據(jù)定時進(jìn)行存儲，防止數(shù)據(jù)掉電丟失，保證采集到環(huán)境數(shù)據(jù)的連續(xù)穩(wěn)定性。

2.3? 無線傳輸設(shè)備

無線傳輸設(shè)備分為兩種：一是組建本地局域網(wǎng);二是連接互聯(lián)網(wǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大面積耕地，普通的無線通信模塊通信距離有限，難以將整個大棚都覆蓋在無線通信范圍內(nèi)，因此構(gòu)建本地局域網(wǎng)時選用HC-12無線通信模塊，該模塊通信方式靈活度高，可實(shí)現(xiàn)一對一或多對多無線通信，全功率運(yùn)行透傳距離可達(dá)200 m，無障礙通信距離達(dá)800 m，適用于構(gòu)建中小型無線透傳網(wǎng)絡(luò)。WiFi模塊用于主機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行通信，將物聯(lián)網(wǎng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的云存儲和在線監(jiān)控。選用ESP-01S模塊，采用ESP8266芯片作為MCU，是一款專職于WiFi聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)模塊，可快速地與指定網(wǎng)頁進(jìn)行穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳和下載。

3? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 從機(jī)程序設(shè)計

從機(jī)在硬件上分兩種，但在程序設(shè)計上兩種從機(jī)程序類似，僅功能性指令不同（數(shù)據(jù)監(jiān)測從機(jī)為數(shù)據(jù)采集，反饋從機(jī)為執(zhí)行相應(yīng)操作指令）。數(shù)據(jù)檢測從機(jī)程序流程如圖2所示，從機(jī)通電后等待主機(jī)發(fā)送連接標(biāo)志，接收到正確的標(biāo)志時，點(diǎn)亮連接標(biāo)志指示燈，返回從機(jī)編號并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待無線通信模塊接收到功能指令后執(zhí)行相應(yīng)指令。

3.2? 主機(jī)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主機(jī)主控單片機(jī)主要負(fù)責(zé)處理兩個無線模塊之間數(shù)據(jù)的接收、運(yùn)算和傳遞的工作，如圖3所示。聯(lián)網(wǎng)功能完全移動至ESP8266芯片實(shí)現(xiàn)，對ESP8266單片機(jī)進(jìn)行SDK編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上傳下載的自動化，主控單片機(jī)只需將需上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行特定格式的編碼、通過串口送往WiFi模塊即可將數(shù)據(jù)上傳，同理，下載的網(wǎng)絡(luò)報文只需提取用戶數(shù)據(jù)區(qū)的信息送往主控單片機(jī)即可，減輕主控MCU的工作負(fù)擔(dān)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4? ? 實(shí)驗(yàn)測試

主機(jī)通過USB轉(zhuǎn)TTL（芯片為CH340）連接到PC，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理穩(wěn)定性測試。在PC上通過串口助手模擬主機(jī)WiFi模塊，接收檢測完畢的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)。模擬發(fā)送WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)準(zhǔn)備完成標(biāo)識“GH0ESP”后正常接收到返回標(biāo)志語“GH0STC”，主機(jī)正常啟動開始自動組網(wǎng)收集大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)匯總處理后編碼送往WiFi模塊。主機(jī)每20 s發(fā)起一輪環(huán)境數(shù)據(jù)檢測，收集在線從機(jī)當(dāng)前檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)。經(jīng)檢測環(huán)境數(shù)據(jù)正常，無線連接穩(wěn)定，檢測從機(jī)無限透傳20 m范圍內(nèi)未出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理紊亂和亂碼錯誤。

5? ? 結(jié)語

本智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組件之間的通信，使數(shù)據(jù)檢測從機(jī)具備極高的安裝和操控靈活性。同時通過對云服務(wù)器的使用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的備份和遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，經(jīng)長時間測試，運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)采集和上傳更新穩(wěn)定，可以滿足農(nóng)業(yè)大棚所需的基礎(chǔ)智能監(jiān)控功能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊衛(wèi)社，孫啟昌.基于ARM與Android農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2017（6）：141-143.

[2]張輝，李建軍，王佳熙，等.電機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2015（10）：3395-3397.

[3]黃穎，張偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017（4）：33-34.

[4]鄒帥，莫奇.基于嵌入式的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控助手的設(shè)計與應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2014（2）：3-5.

[5]李燕飛，張文志，王洪娟，等.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動化，2016（4）：172-173.

[6]王君君，董靜，伊銅川，等.移動終端的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微統(tǒng)，2016（8）：87-89.

[7]江瑩旭，華芳芳，鄭梁梁，等.農(nóng)藝與物聯(lián)網(wǎng)下的智慧農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)工程，2014（4）：38-40.

[8]劉偉，馮向軍.關(guān)于多變量PID自適應(yīng)解耦控制器的設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2004（4）：22-24.

Framework design of intelligent monitoring network system for

agricultural greenhouse based on single chip microcomputer

Wang Haochen， Qin Guoqing*， Lyu Zhiyue， Zhu Shijie， Cai Yuyang

（Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， China）

Abstract：In recentyears， greenhouse technology shows great economic potential， and the automatic greenhouse monitoring system is particularly important. However， the agricultural greenhouse monitoring system sold in the market has two shortcomings： low automation level and high cost. In view of the above situation， a new type of agricultural greenhouse monitoring system is designed in this paper， which adopts distributed control system， multi-point distributed collection and control of the lower computer， centralized data processing of the upper computer to generate decision-making control information， wireless network communication between the master and the slave computer to realize the functions of centralized environment control， real-time data upload network， online user viewing， etc.

Key words：agricultural greenhouse; intelligent network monitoring system; “Internet+”