基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

范 闖，趙安琪，昝玉呈，張 雨

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

互聯(lián)網(wǎng)在溫室中的應(yīng)用有了一定進(jìn)展，也存在部分問題。首先，作為自組織網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳播并不完善，因此，有必要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技集成平臺的建設(shè)。其次，由于物聯(lián)網(wǎng)的普遍性，農(nóng)業(yè)聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議不統(tǒng)一，各自的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也引入了各自的通信協(xié)議，這將給動物網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用帶來困難。為了解決通信協(xié)議與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不一致的問題，本文以溫室物聯(lián)網(wǎng)為研究對象，用于實時采集數(shù)據(jù)溫室環(huán)境信息，根據(jù)需要實時控制，數(shù)據(jù)分析、整理和集成，以及災(zāi)害預(yù)測。

1 總體設(shè)計

設(shè)計的溫室監(jiān)測系統(tǒng)主要由功能驅(qū)動、人機(jī)界面、智能傳感器等組成，如圖1所示。各功能模塊協(xié)同采集和調(diào)整影響溫室作物生長的各種參數(shù)。此外，系統(tǒng)還可以將收集到的致動器參數(shù)和狀態(tài)信息發(fā)送到網(wǎng)頁和移動客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 溫室大棚智能感知器

智能傳感器以中國科技控制芯片為核心，通過溫室環(huán)境的多點布置，實現(xiàn)對氣溫、濕度、土壤濕度和光強(qiáng)的實時采集。

系統(tǒng)中使用的DHT11溫濕度傳感器采用單總線協(xié)議，便于多點布置，溫室監(jiān)控系統(tǒng)長時間運行后，主控面板的溫度會逐漸升高，直接放置在主控面板上的溫度傳感器的測試值較高，導(dǎo)致與后續(xù)分析和控制的偏差。CS32F103芯片配備有溫度傳感器。如果芯片內(nèi)部溫度過高，則對板溫度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，以減少主設(shè)備溫度升高的影響。

式中，To為出口溫度；Ti是傳感器的采樣溫度；Tc是芯片溫度；Tt為溫度補(bǔ)償閾值；ρ是溫度補(bǔ)償系數(shù)。

系統(tǒng)中使用的土壤水分傳感器FC-28根據(jù)土壤水分含量與其電導(dǎo)率正相關(guān)的原理檢測土壤水分。在實際應(yīng)用中，水分采樣值有時會出現(xiàn)較大的峰谷偏差。由于水分檢測有一定的時間延遲，為了避免脈沖干擾，采用了介質(zhì)濾波的方法，即抑制最大值和最小值，并在連續(xù)采樣后獲得平均值，濾波公式為

式中，Mo為輸出土壤濕度；Mi為連續(xù)采樣濕度；n為采樣次數(shù)。

1.2 溫室大棚功能執(zhí)行器

基于中國科技基礎(chǔ)控制芯片，功能執(zhí)行器顯示傳感器采集的信息是否超過4個發(fā)光二極管設(shè)定的閾值，排氣扇、水泵、報警蜂鳴器的執(zhí)行控制，加油燈等設(shè)備通過傳感器連接和繼電器控制實現(xiàn)。

1.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)界面顯示裝置采用I2C總線通信方式的OLED，輸入裝置為五路開關(guān)按鍵，存儲裝置為AT24C02芯片，無功耗，用戶可通過按鍵組合和屏幕改變每組控制參數(shù)的閾值，并實時查看傳感器數(shù)據(jù)。調(diào)整后的閾值存儲在AT24C02芯片中，并在系統(tǒng)重新啟動后生效。

1.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊協(xié)議為HTTP協(xié)議。下載的數(shù)據(jù)必須包括每個參與者的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和控制信息。用戶可以通過參考客戶的網(wǎng)站和數(shù)據(jù)組來檢查溫室氣體的狀態(tài)。

公交車駛了過去，夏冰臉上還留著一絲冷笑。他突然站起來，推開窗，把頭伸出去，學(xué)著電影《泰坦尼克號》中杰克的樣子，重重地對著大街吐了一口痰，旁若無人地喊道：“我胡漢三又回來啦！”車內(nèi)不少人厭惡地看著他，但見他油亮的光頭和這一身打扮、這一副表情，猜出他從哪里來，都不約而同地把目光小心地滑開，或?qū)Ｗ⒂诖巴獾木吧鋵嵤裁淳吧矝]有，或與身邊的陌生人攀談起來——仿佛老友相見熱情有加，也有閉目養(yǎng)神的——只是，眼皮不動聲色地一張一閉，注意力還在夏冰身上。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)控制器采用CS32f103c8t6，最大工作頻率72 MHz內(nèi)置64 KB閃存和豐富的外圍資源，選用B1750FVI芯片獲取光強(qiáng)，該芯片具有分辨率高、光強(qiáng)變化范圍廣的優(yōu)點。土壤濕度采樣基于LM393芯片設(shè)計。土壤濕度探頭的電阻可轉(zhuǎn)換為電壓輸入。該芯片可用于測量土壤濕度，比較電壓可通過電位器調(diào)節(jié)，并可產(chǎn)生數(shù)字量。

溫室監(jiān)控系統(tǒng)包括功率電平穩(wěn)定器、繼電器控制模塊、按鍵輸入模塊、不同傳感器模塊、OLED顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、CS32F103控制單元、LED指示模塊；每個部分如圖2所示連接。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)使用要求，該系統(tǒng)采用低體積、低成本、低功耗的芯片，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了安裝和維護(hù)成本。

溫室系統(tǒng)的目標(biāo)是更好地檢測溫室植物的生長因子。如圖3所示。

圖3 溫室系統(tǒng)總體思路及構(gòu)建示意圖

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

溫室環(huán)境監(jiān)測方案主要包括人機(jī)交互方案、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方案、系統(tǒng)控制方案等。

3.1 人機(jī)交互程序設(shè)計

人機(jī)交互程序設(shè)計流程如圖4所示。人機(jī)界面根據(jù)功能分為3個屏幕界面：主閾值選擇界面和數(shù)據(jù)顯示界面等。

圖4 人機(jī)交互程序設(shè)計流程圖

即輸入4個閾值參數(shù)：濕度、空氣溫度和光照強(qiáng)度等。按功能鍵時，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前界面屬性處理鍵信息，并執(zhí)行不同的功能。主界面切換到所選陣列的支持閾值設(shè)置界面和傳感器數(shù)據(jù)顯示屏。在輔助界面中，用戶可以通過5個鍵更改閾值參數(shù)，并將其存儲在AT24C02芯片上。數(shù)據(jù)顯示屏顯示上述4個傳感器數(shù)據(jù)，并通過按鍵更新信息。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

該對象的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是基于esp8266網(wǎng)絡(luò)平臺和中國移動OneNet對象構(gòu)建的，編程流程如圖5所示。

圖5 流量設(shè)計程序數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸

首先，系統(tǒng)通過USART模塊將芯片c32f103c8發(fā)送至esp8266模塊，完成硬件初始化和WLAN網(wǎng)絡(luò)接入，然后設(shè)計溫室監(jiān)測外部接口，包括web客戶端和移動客戶端。最后，單網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)生成數(shù)據(jù)包，并基于HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)包上傳到單網(wǎng)絡(luò)平臺。

系統(tǒng)以HTTP協(xié)議以post方式將數(shù)據(jù)流上傳到設(shè)備云，每個傳感器的標(biāo)識和樣本值。為Internet平臺上的設(shè)備創(chuàng)建程序，查看儀表板接收到的每組數(shù)據(jù)點和線圖，并完成系統(tǒng)Internet界面的創(chuàng)建。

溫室環(huán)境監(jiān)測不需要及時進(jìn)行，在調(diào)試階段，每個周期的數(shù)據(jù)傳輸時間為5 s，便于檢查傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正常，以下應(yīng)用程序可以延長反應(yīng)能力。

3.3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)啟動時，收集傳感器數(shù)據(jù)以完成執(zhí)行器控制。編程過程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制程序設(shè)計流程圖

預(yù)處理后，傳感器采集的數(shù)據(jù)，如土壤濕度、空氣溫度和光照強(qiáng)度。

系統(tǒng)的總體流程可概括為按鍵掃描和信息處理、顯示界面更新、數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)的實驗結(jié)果

通過電路連接和編程，建立了一個簡單的溫室模型，在模型中安裝了監(jiān)控系統(tǒng)，完成了程序調(diào)試和功能再現(xiàn)。

測試方法：檢查人機(jī)界面采集的實時數(shù)據(jù)，通過按鍵操作改變閾值參數(shù)，關(guān)閉電源系統(tǒng)重啟系統(tǒng)，確定參數(shù)是否有效通過環(huán)保措施和閾值變化驗證指示燈與控制設(shè)備的正確運行登錄到移動客戶端和操作平臺，檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常。

人機(jī)交互測試流程如圖7所示，閾值選擇的主屏幕如圖7（a）所示，設(shè)置組濕度閾值的輔助界面如圖7（b）所示，傳感器數(shù)據(jù)屏幕上的圖像如圖7（c）所示。測試結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集正常。傳感器記錄和實際測量結(jié)果表明，土壤水分測量的準(zhǔn)確性不明確，具體見表1。

表1 各項參數(shù)檢測精度

圖7 人機(jī)交互測試界面

圖8示出了網(wǎng)絡(luò)傳輸接口。4個傳感器數(shù)據(jù)記錄在界面左側(cè)，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度。右側(cè)重新顯示了4組控制面板包括：高溫警報、風(fēng)扇、壓力水泵和補(bǔ)光開關(guān)。測試后，記錄設(shè)備功能正常，數(shù)據(jù)傳輸正常。

圖8 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)頁界面

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以采集溫室環(huán)境參數(shù)，控制植物生長的控制輔助設(shè)備，通過網(wǎng)頁和移動客戶端實現(xiàn)對溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有成本低、安全可靠等優(yōu)點，操作方便，該系統(tǒng)可以在多階段數(shù)據(jù)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制和決策等方面進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為農(nóng)業(yè)活動的智能自動控制創(chuàng)造更好的保障。