基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

李添河 吳敏

摘要：本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術的、采用STM32微控制器設計的智能大棚，當系統(tǒng)實時采集分析溫度、濕度、光照強度等數(shù)據(jù)后，主控制板通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來進行相應操作或者系統(tǒng)自動判斷并進行調(diào)整，使大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度符合作物生長所需，用戶還可通過視頻實時監(jiān)控觀察大棚內(nèi)情況。

關鍵詞：STM32F103RCT6;物聯(lián)網(wǎng);智能大棚;以太網(wǎng)

近年來，農(nóng)業(yè)大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內(nèi)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。

針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設備，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

1.系統(tǒng)方案

本項目基于物聯(lián)網(wǎng)技術，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的方式，將主控板、傳感器、PC機進行有效的連接，從而達到對大棚智能監(jiān)控的目的。整個系統(tǒng)在降低投資的基礎上，減少人力資本，完成蔬菜大棚的增值創(chuàng)收。

模塊1：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸是整個系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的基本要求，通過以太網(wǎng)控制器可將主控板上采集分析的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C機上。

模塊2：傳感器

本項目設計過程中加入了溫濕度傳感器、光照強度傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，由于成本問題，未添加二氧化碳傳感器。

模塊3：PC端遠程控制

PC機可通過無線連接到主控板所發(fā)送的數(shù)據(jù)，用戶通過PC機界面上顯示的數(shù)據(jù)做出相應判斷，進行大棚的遠程監(jiān)控，還可在PC機上監(jiān)測到大棚內(nèi)的實時影像。

2.系統(tǒng)硬件設計

該智能大棚控制系統(tǒng)以 32 位 ARM 為主控制器，通過溫度、濕度、光敏傳感器，對大棚內(nèi)外的溫度、濕度、光強進行實時采集，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，把信號送往 MCU 進行處理。在 CPU 內(nèi)部 Flash 存有一個小型的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)庫，通過對傳感器采集的環(huán)境參數(shù)進行分析對比，最終做出決策，系統(tǒng)自動發(fā)出指令，控制大棚內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)、采光、自動澆灌等子系統(tǒng)進行相應的動作;或根據(jù) LCD 上顯示的信息，通過PC端采取干預性的發(fā)出控制指令，從而達到控制大棚內(nèi)部環(huán)境，便于農(nóng)作物的生長的目的。

控制的詳細指標分別為：

（1）大棚內(nèi)的溫度基本保持在 20～26℃;

（2）光強基本保持在 6～12 格的范圍之內(nèi);

（3）濕度基本保持在 35%～65%。

2.1基本結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)的設計

該智能大棚采用 STM32F103RCT6 為主控制器，用來總體協(xié)調(diào)控制整個系統(tǒng)，對內(nèi)部 A/D 采集的數(shù)據(jù)進行處理，與內(nèi)部設定的數(shù)據(jù)庫比較，根據(jù)設定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、溫度調(diào)節(jié)、自動澆灌子系統(tǒng)，來改變大棚內(nèi)部的環(huán)境指數(shù)。同時，還可利用 STM32F103RCT6來驅(qū)動液晶屏，實時地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)采用一塊 DHT11溫度傳感器，來采集大棚內(nèi)外的溫度、濕度值。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2.2主控板

采用STM32F103RCT6為核心的主控芯片，組成項目所需主控電路.

2.3以太網(wǎng)模塊

ENC28J60 是帶有行業(yè)標準串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的獨立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有 SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。通過該模塊，可將數(shù)據(jù)由主控制板上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來控制棚內(nèi)電機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2.4傳感器

DHT11：一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù) 40Bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

該傳感器用于檢測棚內(nèi)的溫濕度，當棚內(nèi)的溫濕度不在設定值范圍內(nèi)時，此時主控制板就會通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來監(jiān)測棚內(nèi)溫濕度情況，并控制棚內(nèi)電機，使其運行，以達到滿足作物生長條件的目的。

光照強度傳感器：光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。本項目中我本采用了光敏電阻傳感器，可以檢測周圍環(huán)境的亮度和光照，具有靈敏度可調(diào)的優(yōu)點，其工作電壓為3.3V。該傳感器用于檢測大棚內(nèi)的光照強度，當棚內(nèi)光照強度不足時，補光燈會自動開啟，進行補光，滿足大棚內(nèi)農(nóng)作物光合作用是對光照的要求。

2.5電機及補光燈驅(qū)動模塊

在項目模型中，采用L298N雙H橋電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機和補光燈，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機，具有過電壓和過電流保護、PWM脈寬平滑調(diào)速、可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等特點。該驅(qū)動模塊采用了兩塊L298N芯片，可對三臺電機和補光燈進行控制.

2.6電源模塊

電源模塊是任何裝置都不可缺少的一部分，由于參與本設計的模塊眾多，我們制作了AC-DC converter 交直流轉(zhuǎn)換電源模塊，可輸出+24/+15V/-15V/+5V電壓，并采用一個正向低壓降穩(wěn)壓器AMS117-3.3，獲得+3.3V電壓.

3.系統(tǒng)軟件設計

該智能大棚的軟件系統(tǒng)，通過主程序調(diào)用多種中斷子程序來實現(xiàn)，包括定時器中斷、A/D 中斷和端口中斷。主程序主要負責系統(tǒng)時鐘、鍵盤中斷、液晶屏、內(nèi)部 AD、定時器 A B、IIC 及各種參數(shù)設置的初始化。項目系統(tǒng)軟件框架如下圖所示：

4.系統(tǒng)創(chuàng)新

（1）使用獨立以太網(wǎng)控制器，傳輸數(shù)據(jù)時穩(wěn)定、傳輸速率快;

（2）開發(fā)系統(tǒng)成本低、功能強;

（3）使用基于 Internet 的物聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)精確而專業(yè)的蔬菜管理，放寬了菜農(nóng)的蔬菜種植水平

5.結(jié)論

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

參考文獻：

[1]姜源，鄭玉麗.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能大棚控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（11）.

[2]韓志平。溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2012.

[3]余攀，鄒承俊.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的成都地區(qū)智能溫室云服務平臺設計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2014（7）.

[4]劉國彥，段益群.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室大棚控制系統(tǒng)設計[J].信息與電腦（理論版），2014（2）.

[5]潘剛，蒲國林，王安志，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室大棚控制系統(tǒng)的設計[J].工業(yè)控制計算機，2014（2）.

注：大創(chuàng)項目編號：CXXL2019241