基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的種植大棚智能化遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

孔繁庭，李享國(guó)

（蘭州文理學(xué)院 傳媒工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730010）

0 引 言

種植大棚智能化遠(yuǎn)程聯(lián)控制系統(tǒng)是近些年慢慢發(fā)展起來(lái)的一種智能、經(jīng)濟(jì)、高效的農(nóng)業(yè)種植發(fā)展技術(shù)，是由傳統(tǒng)光照大棚，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)，對(duì)微處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)而成的一種順應(yīng)時(shí)代進(jìn)步的新型農(nóng)業(yè)科技[1]。種植大棚控制主要是根據(jù)作物的最適生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)控制種植大棚內(nèi)部的環(huán)境，確保作物生長(zhǎng)在最適生長(zhǎng)環(huán)境中，提高作物的產(chǎn)量，減少人工成本[2]。本設(shè)計(jì)根據(jù)未來(lái)新式種植型大棚的發(fā)展趨勢(shì)[3]、實(shí)用性[4]、經(jīng)濟(jì)性、可拓展性方面的考慮，設(shè)計(jì)出一款對(duì)大棚溫度、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)完成對(duì)大棚上、下卷簾以及上、下通風(fēng)口，水肥一體機(jī)的控制，達(dá)到對(duì)大棚內(nèi)部環(huán)境的及時(shí)補(bǔ)償。設(shè)計(jì)出的空間循環(huán)式運(yùn)輸系統(tǒng)，大大減少了占地面積，也極大地減少人工運(yùn)輸成本。

本研究是立足于當(dāng)下農(nóng)產(chǎn)品種植的痛點(diǎn)難點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的考量，并加入后期可拓展功能，可隨時(shí)代發(fā)展而不斷拓展進(jìn)步，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在可食用性農(nóng)作物周期性栽種，觀賞性植物蓄養(yǎng)，時(shí)令性農(nóng)產(chǎn)品養(yǎng)殖等生產(chǎn)型溫室，也可進(jìn)行實(shí)用性大規(guī)模量產(chǎn)，為農(nóng)民增產(chǎn)增收。

1 智能種植大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究的種植大棚系統(tǒng)分為STM32F103C8T6 主控模塊、WiFi 模塊、補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、溫濕度測(cè)量、光照采集、OLED 顯示等八大模塊。本系統(tǒng)由溫濕度測(cè)量模塊和光照采集模塊采集種植大棚內(nèi)部的土壤溫濕度、空氣溫濕度以及光照度，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，主控芯片將該數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 模塊傳輸至阿里云并在OLED 顯示模塊顯示，然后再由阿里云傳輸至云智能APP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在云智能APP 上顯示。系統(tǒng)主體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主體框圖

該系統(tǒng)工作狀態(tài)有兩種模式即自動(dòng)模式和手動(dòng)模式，在自動(dòng)模式時(shí)，主控芯片通過(guò)種植大棚內(nèi)部的閾值與實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，然后由主控芯片對(duì)補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、水泵、運(yùn)輸電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植大棚的環(huán)境補(bǔ)償。手動(dòng)模式即在云智能APP 界面進(jìn)行手動(dòng)控制，對(duì)補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、水泵、運(yùn)輸電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境補(bǔ)償。

2 智能種植大棚硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路如圖2所示，由電容式土壤濕度傳感器模塊[5]采集數(shù)據(jù)，再由STM32 微處理器[6]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，0.96 寸OLED 顯示模塊顯示溫度。由卷簾電機(jī)調(diào)節(jié)大棚室內(nèi)溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度小于溫度設(shè)定閾值時(shí)卷簾關(guān)閉，達(dá)到保溫功能；當(dāng)室內(nèi)溫度大于溫度設(shè)定閾值時(shí)卷簾打開(kāi)，達(dá)到降溫功能。由光照模塊采集光照度數(shù)據(jù)傳輸至STM32 微處理器，然后通過(guò)補(bǔ)光LED 燈進(jìn)行光補(bǔ)償。通過(guò)電容濕度模塊采集土壤濕度數(shù)據(jù)并傳輸至STM32 微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)澆水電機(jī)進(jìn)行土壤濕度補(bǔ)償。通過(guò)DHT11溫濕度傳感器模塊將溫室大棚內(nèi)的濕度數(shù)據(jù)傳輸至STM32微處理器并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制大棚的通風(fēng)口的開(kāi)合狀態(tài)而進(jìn)行濕度補(bǔ)償。通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)作物在大棚內(nèi)的運(yùn)輸。通過(guò)WiFi 模塊連接阿里云[7]，然后通過(guò)阿里云將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP[8]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖2 種植大棚控制系統(tǒng)電路圖

種植大棚頂部由保溫卷簾，上、下通風(fēng)口等驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。如圖3所示，該驅(qū)動(dòng)原理為：當(dāng)室內(nèi)溫度高于溫度閾值上限時(shí)，圖中左側(cè)電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)保溫卷簾卷起；當(dāng)室內(nèi)溫度低于溫度閾值下限時(shí)，圖中左側(cè)電機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)保溫卷簾放下。當(dāng)室內(nèi)濕度高于濕度閾值時(shí)，圖中右側(cè)電機(jī)啟動(dòng)打開(kāi)上下通風(fēng)口，反之則實(shí)現(xiàn)關(guān)閉通風(fēng)口的操作。

圖3 種植大棚棚頂模型示圖

種植大棚運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)：針對(duì)蔬菜運(yùn)輸，共設(shè)計(jì)出兩款運(yùn)輸模型，第一款如圖4所示，參考工廠生產(chǎn)線運(yùn)輸裝置，雖能實(shí)現(xiàn)作物運(yùn)輸，但會(huì)使大棚內(nèi)部的種植面積減少。因此改進(jìn)為第二款，如圖5所示，采用立柱式空中運(yùn)輸裝置，相比于第一款具有更加小的占地面積，更加少的裝置生產(chǎn)成本。第二款運(yùn)輸模型采用空中循環(huán)式運(yùn)輸架，如圖6所示，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈條如圖7所示，帶動(dòng)懸掛運(yùn)輸籃子的鉤子如圖8所示，以此實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸，減少人工運(yùn)輸成本，也減少了運(yùn)輸系統(tǒng)占用種植面積。

圖4 第一款運(yùn)輸系統(tǒng)模型

圖5 第二款運(yùn)輸系統(tǒng)模型

圖6 運(yùn)輸架模型

圖7 傳送動(dòng)力裝置

圖8 作物運(yùn)輸掛鉤設(shè)計(jì)

3 智能種植大棚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電源端開(kāi)始供電，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行初始化程序判斷服務(wù)器是否已經(jīng)連接，若服務(wù)器未連接，則執(zhí)行連接服務(wù)器程序并判斷服務(wù)器是否已連接，直至連接到服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)器連接已完成則執(zhí)行主循環(huán)程序：執(zhí)行按鍵掃描程序；處理服務(wù)器下發(fā)數(shù)據(jù)；判斷數(shù)據(jù)更新時(shí)間是否達(dá)到，若更新時(shí)間到則執(zhí)行更新數(shù)據(jù)。主系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件主流程

3.1 系統(tǒng)控制邏輯

微處理定時(shí)器1 中斷，控制按鍵狀態(tài)每2 ms 讀取一次。當(dāng)存儲(chǔ)變量為0XFF，執(zhí)行更新按鍵未按下?tīng)顟B(tài)；當(dāng)存儲(chǔ)變量為0X00，執(zhí)行更新按下?tīng)顟B(tài)；微處理器定時(shí)器2 中斷，每30 s 發(fā)送一次，執(zhí)行將當(dāng)前室內(nèi)溫濕度、光照度、土壤溫濕度發(fā)送到服務(wù)器；微處理器定時(shí)器3 中斷，每1 s 執(zhí)行一次，執(zhí)行讀取室內(nèi)溫濕度、光照度、土壤溫濕度，并更新到OLED 顯示屏上；微處理定時(shí)器4 中斷，執(zhí)行解析串口2 接口接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后更新數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，將數(shù)據(jù)更新到接受緩沖區(qū)；微處理器串口2 中斷，執(zhí)行接收服務(wù)器下發(fā)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制邏輯流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)控制邏輯流程

3.2 初始化掃描、掃描函數(shù)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化程序：先執(zhí)行延時(shí)函數(shù)初始化、OLED 初始化、更新OLED 顯示；之后執(zhí)行ADC 初始化程序（串口1、串口2 初始化，定時(shí)器初始化）；然后執(zhí)行輸出初始化、按鍵初始化、I2C 初始化程序；最后執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)初始化、備份數(shù)據(jù)讀取、首次數(shù)據(jù)更新程序，完成本次初始化功能。初始化掃描流程如圖11所示。

圖11 初始化掃描流程

按鍵掃描程序：先執(zhí)行判斷程序，判斷現(xiàn)在時(shí)刻狀態(tài)和前一階段狀態(tài)是否一樣，當(dāng)前狀態(tài)與前一狀態(tài)不一樣時(shí)，則執(zhí)行判斷程序判斷Flag=1，當(dāng)Flag=1 為真時(shí)，執(zhí)行構(gòu)建顯示數(shù)據(jù)更新為OLED 第1 頁(yè)顯示程序，然后執(zhí)行更新備份值程序；當(dāng)Flag=1 為假時(shí)，執(zhí)行構(gòu)建顯示數(shù)據(jù)更新為OLED第2 頁(yè)顯示程序，然后執(zhí)行更新備份程序。掃描函數(shù)程序流程如圖12所示。

圖12 掃描函數(shù)程序流程

3.3 阿里云APP 與控制系統(tǒng)的連接

在信息傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)是由阿里云平臺(tái)作為中間媒介實(shí)現(xiàn)APP 與硬件系統(tǒng)的交互，APP 與EWM3080-v2 WiFi 模塊建立連接。本次設(shè)計(jì)所使用的服務(wù)器是阿里云服務(wù)器，平臺(tái)是阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互方式的配置操作。其操作可包括設(shè)置交互端，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行命名操作、板面顯示設(shè)置操作（用于APP 頁(yè)面的顯示內(nèi)容）和配網(wǎng)的方式操作。在上述操作中，最重要的是配網(wǎng)方式，因?yàn)槊恳粋€(gè)單體WiFi 模塊都有自己唯一的產(chǎn)品ID、設(shè)備秘鑰、產(chǎn)品秘鑰、設(shè)備名等，每次配網(wǎng)都需要根據(jù)不同的信息進(jìn)行操作，因此APP 與WiFi 模塊連接具有唯一性，導(dǎo)致了配網(wǎng)方式成為云智能APP 與WiFi 模塊綁定的關(guān)鍵。在配網(wǎng)時(shí)，配網(wǎng)方式應(yīng)該選擇一鍵配網(wǎng)；之后在阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)置完成后，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)配網(wǎng)二維碼；然后打開(kāi)云智能APP 連接上無(wú)線路由器；最后掃描此碼即可完成配網(wǎng)操作，實(shí)現(xiàn)云智能APP 與WiFi 模塊的綁定。

3.4 種植大棚控制系統(tǒng)軟調(diào)試

云智能APP 主界面如圖13所示，其顯示室內(nèi)溫濕度、光照度、土壤溫濕度等測(cè)量的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)以及卷簾、澆水、補(bǔ)光、通風(fēng)及運(yùn)輸?shù)瓤刂葡到y(tǒng)的開(kāi)關(guān)、工作狀態(tài)。在APP的閾值設(shè)置界面可以顯示設(shè)置閾值范圍（閾值上限、下限），如圖14所示。在歷史曲線界面時(shí)可以顯示土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等數(shù)據(jù)的歷史數(shù)值，如圖15所示。當(dāng)工作模式為自動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)閾值執(zhí)行相應(yīng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)溫度低于溫度下限時(shí)，卷簾打開(kāi)執(zhí)行，當(dāng)溫度高于溫度上限時(shí)，卷簾卷起執(zhí)行，溫度閾值控制卷簾系統(tǒng)正常；當(dāng)濕度高于濕度上限時(shí)，通風(fēng)口打開(kāi)執(zhí)行，排濕系統(tǒng)正常；當(dāng)光照度低于光照度閾值時(shí)，補(bǔ)光LED 打開(kāi)，高于光照度閾值時(shí)關(guān)閉，補(bǔ)光系統(tǒng)正常。當(dāng)土壤濕度低于土壤濕度閾值時(shí)，抽水系統(tǒng)開(kāi)始工作，澆水系統(tǒng)正常。當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)為手動(dòng)模式時(shí)，對(duì)卷簾、澆水、補(bǔ)光、通風(fēng)及運(yùn)輸進(jìn)行手動(dòng)控制，測(cè)試結(jié)果正常。調(diào)試完畢，系統(tǒng)正常。

圖14 閾值調(diào)節(jié)界面

圖15 歷史數(shù)據(jù)界面

4 系統(tǒng)實(shí)物

本蔬菜種植大棚控制系統(tǒng)在研究期間均采用5 V 電壓驅(qū)動(dòng)小電機(jī)進(jìn)行模擬，而在現(xiàn)實(shí)中一般都是驅(qū)動(dòng)220 V 電機(jī)進(jìn)行卷簾、通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)炔僮??？紤]到實(shí)用性，故在制作控制實(shí)物時(shí)要用到小電流控制大電流的操作。小電流控制大電流基本原理是通過(guò)單片機(jī)將信號(hào)給到繼電器，繼電器導(dǎo)通接通220 V 電壓，將電壓供到交流接觸器（交流接觸器吸合）使得電機(jī)接通電源，開(kāi)始工作。根據(jù)此原理做出實(shí)物控制箱如圖16、圖17所示。

圖16 實(shí)時(shí)控制APP 頁(yè)面

圖17 系統(tǒng)控制電路箱

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種植大棚室內(nèi)土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)，在云智能APP 上可實(shí)時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)蔬菜生長(zhǎng)閾值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的水肥補(bǔ)償、光照補(bǔ)償以及溫濕度補(bǔ)償?shù)龋€可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的棚內(nèi)運(yùn)輸。對(duì)作物的生長(zhǎng)環(huán)境補(bǔ)償以及作物運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)，減少人工成本，基本實(shí)現(xiàn)作物現(xiàn)代化種植。

本次設(shè)計(jì)仍有些許不足之處，如在視頻監(jiān)控這一塊由于STM32 微處理器的圖像處理能力受限，且設(shè)計(jì)的運(yùn)輸系統(tǒng)只針對(duì)于作物較矮的情況（如土豆、番茄和辣椒等），并未設(shè)計(jì)出其他大型作物運(yùn)輸系統(tǒng)模型。在后面會(huì)加以改進(jìn)，完善該系統(tǒng)功能，使其達(dá)到能夠在西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上推廣使用水平。