農(nóng)業(yè)大棚的智能化監(jiān)測

尚澤 陳偉利 李玉麗

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春 130000）

1 概述

近年來我國的國民經(jīng)濟發(fā)展迅速，科技水平不斷提高，在當今社會，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術日益成熟，越來越多的人開始重視以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的智能農(nóng)業(yè)大棚的研究。從古至今，農(nóng)業(yè)在我國一直占據(jù)著十分重要的地位。我國的農(nóng)耕技術曾一度領先于世界，可隨著科技的不斷進步，傳統(tǒng)的農(nóng)耕技術已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)成為我們邁向世界大國的路途中，關鍵的一步?，F(xiàn)代化的智能農(nóng)業(yè)大棚在實現(xiàn)對農(nóng)作物的無誤、精細管理的同時大大節(jié)省了時間、人力和物力，使得生產(chǎn)變得更加高效。事實上我國對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的研究起步較晚，其管理方法照一些發(fā)達國家仍有差距，所以對于現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的研究有著極其深遠的意義與影響。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測模式為人工監(jiān)測，高頻率的觀察、記錄、測量各種數(shù)據(jù)，不僅效率低下而且導致誤差產(chǎn)生的因素過多，不利于對生產(chǎn)過程的管理與控制，還容易產(chǎn)生一些不必要的資源浪費和財產(chǎn)損失。隨著物聯(lián)網(wǎng)（5G）時代的到來，農(nóng)業(yè)智能化程度不斷提高，智慧溫室大棚應用越來越廣泛，具體表現(xiàn)在各種現(xiàn)代化設備的加入與互聯(lián)。

2 系統(tǒng)結(jié)構

智能農(nóng)業(yè)大棚檢測系統(tǒng)的重點在于對內(nèi)部環(huán)境的信息進行實時數(shù)據(jù)采集和環(huán)境監(jiān)測。在對于作物監(jiān)測的方式從人工轉(zhuǎn)為更精準的儀器，各個傳感器模塊對環(huán)境數(shù)據(jù)信息進行實時采集，并通過ZigBee 傳輸至處理器進行數(shù)據(jù)的分析處理，同時從各個傳感器收集來的數(shù)據(jù)在LCD 液晶顯示屏上顯示。

3 硬件結(jié)構設計

系統(tǒng)所需求的相關監(jiān)測與控制程序設計，主要運用Keil C51 軟件開發(fā)平臺，以及STM32 系統(tǒng)中的按鍵、串口、蜂鳴器、ADC、時鐘、TFT-LCD 顯示等部分。在本系統(tǒng)程序設計與實際操作中，在讀取系統(tǒng)相連接的各傳感器所測得數(shù)據(jù)信息的同時，把測量收集到的數(shù)據(jù)進行傳輸及加工處理，而后將得到的數(shù)據(jù)信息LCD 屏上顯示，其中相關設備能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來判斷棚內(nèi)環(huán)境是否適宜農(nóng)作物生長，并做出相應調(diào)整。

4 方案設計

4.1 各模塊基本需求。STM32F103ZET6 為主控芯片來滿足智能大棚的設計要求。2 塊STM32 采集數(shù)據(jù)的范圍十分有限，大棚內(nèi)面積較大，不能采集棚內(nèi)所有數(shù)據(jù)信息，采用多個STC12C5A60S2 來收集各傳感器數(shù)據(jù)。

溫濕度傳感器：本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器為DHT11，該模塊的優(yōu)點是可靠性高、測量范圍廣、精確度高，從長期監(jiān)測的角度來看非常適合，節(jié)能性價比高。如圖1。

圖1 DHT11 電路圖

光照：本系統(tǒng)采用GY-30 光照強度該檢測模塊芯片為BH1750FVI，它的電壓范圍是3-5V, 適宜的光照強度范圍是0-655351x,并且內(nèi)置AD 轉(zhuǎn)換，使它不需要經(jīng)過復雜的算法過程來直接輸出數(shù)字信號，如圖2 它可以用來測量高精度的大范圍亮度。當檢測到的光強高于設定的閾值范圍時，系統(tǒng)驅(qū)動步進電機（如圖3 所示）旋轉(zhuǎn)一個固定的步進角，放下遮光罩,相應的，光照強度低于閾值時會打開補光燈，這里的補光燈采用的是LED 植物生長燈。

圖2 光照強度傳感器圖

圖3 步進電機電路圖

二氧化碳監(jiān)測：本系統(tǒng)決定用兩個MG811 固體電解質(zhì)傳感器模塊來檢測大棚內(nèi)的CO2濃度，并安裝在大棚的適當位置。該傳感器的測量范圍（0-10000ppm)，但在其工作時傳感器的內(nèi)核溫度會一直升高，且溫度的升高會影響測量的靈敏度，必須加入溫度補償電路來彌補此缺陷。雖然溫度升高會影響其工作的精準度，但是該傳感器可靠穩(wěn)定、使用壽命長，依舊是最適合的選擇。如圖4。

圖4 MG811

通風系統(tǒng)：當大棚的溫度超出適宜植物生長的溫度范圍，或者當大棚內(nèi)的二氧化碳濃度過高時，需要通過風扇工作來實現(xiàn)大棚內(nèi)的空氣流通，以達到降低二氧化碳濃度的目的。本系統(tǒng)采用直流電機驅(qū)動芯片驅(qū)動直流風扇。其工作原理：大功率風機安裝大棚開闊一端，當需要降低溫度或者二氧化碳濃度時，該風機自啟動，將棚內(nèi)空氣抽出，帶出多余熱量與二氧化碳，棚外新鮮空氣進入，從而實現(xiàn)通風散熱。

本系統(tǒng)設計采用TFT-LCD 模塊液晶顯示屏，支持顯示65k色，成像效果良好。如圖5。

圖5 液晶顯示

在數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)以上涉及到的硬件方面，本系統(tǒng)決定采用STM32F103ZET6 芯片作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的核心控制器。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

由于農(nóng)業(yè)大棚一般面積較大，導致各傳感器之間距較遠，采用藍牙信號來進行傳輸不具有穩(wěn)定性，且需要多個信號接收器，成本過高，因此采用ZigBee 模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離無線組網(wǎng)。本系統(tǒng)采用以CC2530 為芯片的DL-LN33 模塊，能夠較好的滿足農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)信息遠距離傳輸?shù)囊?。實物圖如圖6。

圖6

4.3 大棚控制模塊

STM32 作為本系統(tǒng)的核心控制器，發(fā)揮著其重要的作用，當棚內(nèi)環(huán)境不適宜作物生長時，其就會接收到超過所設閾值范圍的數(shù)據(jù)信息，該芯片就會對相應模塊發(fā)送指令控制步進電機或相應繼電器，以實現(xiàn)對棚內(nèi)電機水泵、風扇電機、補光燈、遮光板、補光燈等設備的直接控制，從而實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的自動調(diào)控。其中STM32 接收的數(shù)據(jù)是通過棚內(nèi)傳感器模塊所測量到的，以ZigBee 自組網(wǎng)傳輸過來，然后STM32 發(fā)出相應的調(diào)整命令。

5 性能測試

在我們創(chuàng)造的模擬環(huán)境中，儀器測得的數(shù)據(jù)與傳感器測得的數(shù)據(jù)進行對比，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與環(huán)境實際數(shù)據(jù)基本保持一致，誤差在可接受的合理范圍內(nèi)，如表1。

表1

6 總結(jié)與展望

系統(tǒng)通過與STC12 相連的各傳感器模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后通過CC2530 將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 處理器進行數(shù)據(jù)分析處理，并在LCD 上顯示。農(nóng)業(yè)發(fā)展面向現(xiàn)代化與智能化已經(jīng)是趨勢所在，隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的普及，在農(nóng)業(yè)方面的應用也會越來越廣泛，因此項目擁有一定的實際應用價值。