智能溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

鄭志偉，郭迎九，陳元慶，周 波，劉亞軍

（北京城市學院 信息學部，北京 101300）

0 引 言

隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植已經(jīng)難以滿足現(xiàn)實的需要，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化得到了大范圍推廣，溫室大棚種植已成為新型農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分[1-2]。農(nóng)作物的生長離不開穩(wěn)定的溫室大棚環(huán)境，因此需要設計一個能夠實時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文提出一種智能溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測空氣溫濕度、土壤溫濕度、紫外線強度、CO2濃度數(shù)據(jù)，且成本低、功耗小，能夠及時反映溫室大棚內(nèi)的實際環(huán)境情況，并結合實際情況對溫室大棚進行施肥、升溫、澆水等操作，保持棚內(nèi)環(huán)境，保證農(nóng)作物在適宜的環(huán)境下生長，使溫室大棚能夠種植出高質量、高產(chǎn)量的綠色蔬菜，提高生產(chǎn)率。

1 硬件電路設計

1.1 系統(tǒng)結構

智能溫室大棚的技術架構共分為七層，分別為感知層、傳輸層、接入層、匯聚交換層、應用層、管理服務層以及用戶應用層。感知層為檢測大棚參數(shù)的各種傳感器，傳輸層分為接入層和匯聚交換層[3-6]。接入層為可接入無線局域網(wǎng)終端，由接入層與感知層構成了本項目感知網(wǎng)絡的基本單元；匯聚交換層負責將接入層終端傳輸信息進行數(shù)據(jù)分組匯聚、轉發(fā)、暫時存儲與交換，并與云端進行數(shù)據(jù)傳輸。應用層分為管理服務層和用戶應用層。管理服務層負責通過軟件實現(xiàn)感知硬件與應用軟件之間的無縫連接，以便進行大量數(shù)據(jù)的高效匯聚、存儲；通過數(shù)據(jù)挖掘、智能數(shù)據(jù)處理計算等，為用戶應用層提供安全的實時遠程管理和智能服務，主要通過大量數(shù)據(jù)存儲和云計算平臺支持。用戶應用層是面向用戶的智能控制端，通過可視化頁面為用戶提供簡單方便的遠程管理和智能服務。

1.2 硬件電路設計

采用STM32F407單片機結合DS18B20數(shù)字溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、GUVA-S12SA紫外線傳感器，實時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。硬件電路的結構如圖1所示。

圖1 硬件電路結構

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集溫濕度以及紫外線強度的數(shù)據(jù)。DS18B20是一種新型的體積小、適用電壓寬、與微處理器接口簡單的數(shù)字化溫度傳感器，負責空氣溫度的采集。DHT11是一種數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，它能夠確保傳感器擁有良好的穩(wěn)定性和較高的可靠性，負責空氣濕度的采集。GUVA-S12SA有特定的光譜響應，特別適合UVI的檢測，具有良好的可見盲、光伏模式操作、高響應、低暗電流等特性，負責光照強度的采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路

1.2.2 數(shù)據(jù)采集平臺的電路設計

傳感器數(shù)據(jù)采集平臺的主要裝置是數(shù)據(jù)采集盒，如圖3所示。采集盒上有固定條，將固定條固定到大棚附近有電源的采集點。采集盒右側是電源和開關，電源采用12 V直流電源，左側是傳感器引線，一般情況下不要人為接觸，防止干擾傳感器測量；右側的傳感器引線分別接空氣溫濕度傳感器、紫外線傳感器。數(shù)據(jù)采集盒可以對大棚內(nèi)空氣溫度和濕度、土壤溫濕度、紫外線光照強度（0～15級）等進行測量。

圖3 數(shù)據(jù)采集盒

2 軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)查看

數(shù)據(jù)的查看可以通過直接查看、小程序查看、云平臺查看的方式實現(xiàn)，以此獲得傳感器檢測數(shù)據(jù)。

直接查看：數(shù)據(jù)采集盒都配置有數(shù)據(jù)顯示屏，可以直接查看傳感器數(shù)值。

小程序查看：通過掃描小程序二維碼直接查看，結果如圖4所示。

圖4 小程序查看結果

云平臺查看：通過在網(wǎng)頁輸入URL地址查看，結果如圖5所示。

圖5 云平臺查看結果

2.2 監(jiān)管云平臺

平臺可以實時采集大棚內(nèi)的空氣溫度和濕度、土壤溫度和濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)農(nóng)作物的生長需要進行智能預警[7]。該系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器獲取的各項信息以及用戶錄入的化肥、人工等數(shù)據(jù)進行智能化分析，通過可視化統(tǒng)計圖的形式展示給用戶，并能進行產(chǎn)品溯源和監(jiān)管。

種植大棚管理：可以對每個大棚的詳細信息進行編輯和修改，包括大棚的名稱、所屬單位、面積、地理位置、實景圖片、信息簡介、傳感器種類和數(shù)量、種植作物等信息。

種植產(chǎn)品管理：可以對大棚中種植產(chǎn)品進行管理，包括產(chǎn)品的查詢、新增、刪除、詳細信息編輯等功能。

投入品使用記錄：對大棚生產(chǎn)過程中的各種投入品的數(shù)量及成本進行記錄，例如水、電、化肥、人工等。

采收管理：可以對產(chǎn)品收獲后的產(chǎn)出信息、采收狀況、裝箱狀況進行記錄和編輯。

生長過程記錄：可以對種植產(chǎn)品在生長周期中各個環(huán)節(jié)的狀況進行記錄和編輯。

追溯二維碼管理：可以為最終的產(chǎn)品按包裝單位生產(chǎn)唯一的溯源二維碼，當用戶通過手機掃描到二維碼時可以追溯該產(chǎn)品的產(chǎn)地、生產(chǎn)日期、基本信息及從種植到成熟過程中的狀態(tài)信息。

每日數(shù)據(jù)監(jiān)測及監(jiān)控：可以按日查看大棚的詳細信息，包括土壤溫濕度、電導率、空氣溫濕度、光照及二氧化碳濃度等，以便更好地指導生產(chǎn)，可以監(jiān)控整個生產(chǎn)過程。

3 調(diào) 試

3.1 前期數(shù)據(jù)采集實物及信息顯示

以單片機STM32F407為主控，得到各個傳感器采集出來的數(shù)據(jù)，通過上位機將數(shù)據(jù)輸出在LCD屏幕上，每100 ms更新一次數(shù)據(jù)，以此來實時顯示最新的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，方便農(nóng)戶隨時隨地監(jiān)測大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。前期調(diào)試結果如圖6所示，其中的LCD屏幕能夠顯示溫濕度、光照強度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)會通過WiFi上傳到云端。

圖6 前期數(shù)據(jù)采集設備實物及信息顯示

3.2 運行測試

把圖6所示的硬件全部安裝到數(shù)據(jù)采集盒中，然后將成品安放在大棚內(nèi)，安裝結果如圖7所示，隨后插上電源，啟動運行。

圖7 成品落地安裝

當大棚內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)能夠檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)生變化，其執(zhí)行工作情況見表1所列。由表1可知，該系統(tǒng)成功地將大棚環(huán)境數(shù)據(jù)檢測出來并上傳到云端，實現(xiàn)了預期功能。

表1 大棚環(huán)境數(shù)據(jù)

4 結 語

本文通過開發(fā)溫室大棚智能化數(shù)據(jù)采集終端，提高了溫室大棚的智能化水平，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率[8-10]。具體方法是對農(nóng)業(yè)大棚進行智能化改造升級，制定智能化管理方案；流程是將智能大棚有關傳感器裝置裝配在大棚中，實時采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至智能控制中心，對采集到的數(shù)據(jù)進行具體分析，提升智能化管理。項目中使用的傳感器主要包括紫外照射傳感器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器等，通過多種傳感器采集大棚中的溫度、濕度、氣體濃度、土壤情況等環(huán)境數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行具體分析后，進行相應處理，如澆水、施肥等。通過測試證明系統(tǒng)達到了智能化、低成本、高效率的設計目標，為進一步推進智慧農(nóng)業(yè)落地提供了可能。