基于云平臺(tái)的溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)研究

楊青青,秦 芹,鞏倩倩,王 巖,趙 倩

(保定學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引言

溫室大棚對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)起著決定性作用。大棚不僅可以抵抗自然災(zāi)害,防寒保溫,抗旱、澇,還能提早栽培,延后栽培,延長(zhǎng)作物的生長(zhǎng)期,達(dá)到早熟、晚熟、增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的,具有重要的使用價(jià)值[1]。不同的農(nóng)作物在溫室大棚生長(zhǎng)過(guò)程中,對(duì)光照、土壤濕度等因素要求不同,溫室大棚內(nèi)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境能夠促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。本文結(jié)合傳感器技術(shù),嵌入式技術(shù),計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù),對(duì)溫室大棚環(huán)境內(nèi)數(shù)據(jù)(空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度、CO2等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),用戶只需要在手機(jī)上便可實(shí)時(shí)查詢溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù),并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的控制,達(dá)到蔬菜最適生長(zhǎng)環(huán)境。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低,簡(jiǎn)單易操作,具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在溫室大棚內(nèi)部署多個(gè)光照傳感器、空氣溫度、濕度、土壤濕度傳感器、CO2傳感器等采集環(huán)境參數(shù),采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù),將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái),并調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)從云平臺(tái)中獲取數(shù)據(jù),通過(guò)微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制[3-4]。總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心模塊

本系統(tǒng)采用Arduino UNO為系統(tǒng)主控板[2],通過(guò)外接各種傳感器來(lái)感應(yīng)溫室大棚環(huán)境信息,Arduino UNO主控芯片是ATmega328,它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳、1個(gè)晶體振蕩器(16 MHz)、1個(gè)DC口、1個(gè)USB接口、1個(gè)復(fù)位按鈕、1個(gè)ICSP接口,可以用電池或AC-DC適配器供電。操作簡(jiǎn)單,自由度大,價(jià)格合適。

2.2 溫濕度傳感器

溫度和濕度是影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的重要因素。作為溫室大棚,要隨時(shí)能夠了解空氣的溫濕度。適合的溫度,適當(dāng)?shù)目諝鉂穸?能夠保證作物順利開(kāi)展各項(xiàng)生長(zhǎng)環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用DHT11傳感器采集溫室大棚的空氣溫濕度值,可以根據(jù)作物生長(zhǎng)過(guò)程的不同階段,自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣溫濕度,提供作物該階段最優(yōu)的生長(zhǎng)需求方案,保證作物高質(zhì)量生長(zhǎng)。DHT11工作電壓為5 V、濕度精度為±5% RH、溫度精度為±2 ℃,內(nèi)置NTC測(cè)溫元件和電阻式測(cè)濕元件,采用4針單排引腳封裝模式,與主控開(kāi)發(fā)板之間連接便捷。DHT11傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、質(zhì)量可靠、功耗較低等特點(diǎn)。

2.3 光照傳感器

不同的農(nóng)作物對(duì)光照的需求是不同的,作為溫室大棚,在不同的季節(jié)、不同的時(shí)段、不同的地形中,所接受到的光照也是有很大差異。因此光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié),成為最主要最復(fù)雜的調(diào)節(jié)因素。本系統(tǒng)采用GY-302采集溫室大棚的光照度。通過(guò)檢測(cè)溫室大棚內(nèi)光照環(huán)境,配合LED燈,調(diào)節(jié)農(nóng)作物的光合作用。GY-302傳感器內(nèi)置BH1750芯片,其工作電壓為3~5 V、通信方式采用I2C。

2.4 二氧化碳傳感器

溫室大棚CO2濃度過(guò)多或過(guò)少都會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長(zhǎng),過(guò)多則影響光合作用及呼吸代謝的正常進(jìn)行,過(guò)少則導(dǎo)致產(chǎn)量下降、品質(zhì)降低。由于溫室大棚處于密閉環(huán)境,濃度與自然環(huán)境有所差別,一般情況下,溫室大棚CO2濃度夜間積累量?jī)H有500~700 g/m3,日出后1~1.5 h內(nèi)濃度會(huì)急劇下降,上午9點(diǎn)降到300 g/m3,上午11點(diǎn)左右降到150 g/m3,出現(xiàn)CO2饑餓,需要通風(fēng),達(dá)到增產(chǎn)的目的。本系統(tǒng)采用SGP30傳感器采集溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的SGP30濃度,供電電壓為3.3 V,使用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2.5 土壤濕度傳感器

土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的一切營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。土壤的溫濕度直接影響農(nóng)作物對(duì)各種生長(zhǎng)所需元素的吸收狀況,尤其是濕度。土壤的濕度要求要隨時(shí)傳遞到數(shù)據(jù)中心,以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。合適的濕度能夠讓作物及時(shí)獲取各個(gè)階段所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而到達(dá)優(yōu)質(zhì)優(yōu)產(chǎn)的目的。

本系統(tǒng)采用電容式土壤濕度傳感器來(lái)采集溫室大棚農(nóng)作物的土壤濕度。傳感器以農(nóng)作物土質(zhì)的介電常數(shù)為輸出指標(biāo),農(nóng)作物土壤的水分含量能夠測(cè)量出來(lái)。當(dāng)土壤濕度傳感器的探頭未插入土壤時(shí),三極管基極處于開(kāi)路狀態(tài),輸出數(shù)值0;當(dāng)插入土壤時(shí),三極管的基極產(chǎn)生導(dǎo)通電流。因此集電極到發(fā)射極的導(dǎo)通電流受到基極控制,經(jīng)過(guò)發(fā)射極的下拉電阻后就會(huì)轉(zhuǎn)換成電壓。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用微信小程序?qū)崿F(xiàn),界面能夠?qū)崟r(shí)顯示空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等參數(shù)。輸入正確的ID和產(chǎn)品APIKEY,進(jìn)入登錄界面后,調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù),請(qǐng)求方式采用GET方法,從云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)信息(溫濕度、光照度、土壤濕度、CO2濃度)。調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù),通過(guò)POST方法下發(fā)命令,能控制下位機(jī)發(fā)出指定動(dòng)作(燈開(kāi)關(guān)、控制風(fēng)扇開(kāi)關(guān)、控制水泵開(kāi)關(guān))使環(huán)境趨于正常值。微信小程序界面,如圖2所示。

圖2 微信小程序界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

表1是溫室大棚一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)的空氣溫度、空氣濕度、光照度、CO2濃度、土壤濕度值以及上位機(jī)控制風(fēng)扇、燈光、水泵等狀態(tài)?？勺C明系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至微信小程序,并能實(shí)現(xiàn)控制功能,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 采集數(shù)據(jù)值

5 結(jié)語(yǔ)

本文在溫室大棚部署多個(gè)傳感器(光照傳感器、空氣溫度、濕度、CO2傳感器、土壤濕度傳感器)采集環(huán)境參數(shù),通過(guò)微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。通過(guò)調(diào)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)使其符合植物生長(zhǎng)的要求。在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的探索中,本系統(tǒng)提供了技術(shù)方案使農(nóng)業(yè)智能化成為可能。