基于阿里云的智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計

李開旭

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266525）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)形式正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)再到智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[1]。我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代作用。如今，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)大棚種植大多還是以傳統(tǒng)種植方式為主，智能化程度低，消耗人力嚴重，種植者無法準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物實時數(shù)據(jù)并進行科學(xué)管理，利用有限的土地創(chuàng)造出更多的農(nóng)作物產(chǎn)量，提升作物產(chǎn)值。所以我國必須進行大棚農(nóng)業(yè)種植升級轉(zhuǎn)型，根據(jù)傳統(tǒng)大棚作物缺陷，智慧溫室大棚系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、阿里云等開發(fā)平臺設(shè)計了一套智慧溫室大棚系統(tǒng)。智慧溫室大棚能夠根據(jù)不同作物對環(huán)境的不同要求進行智能感知與調(diào)控，使大棚種植向高效率、高產(chǎn)量、低成本的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步轉(zhuǎn)變。

1 智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計框架

智慧溫室大棚系統(tǒng)是基于阿里云平臺，主要由智能傳感器、MCU、被控部件和人機交互界面組成，多重傳感器分別用來測量作物環(huán)境溫濕度、土壤濕度、棚內(nèi)紫外線強度、CO2濃度、土壤pH 等；控制部件采用STM32F407 單片機作為微控制器；被控部件主要由調(diào)溫設(shè)備、控濕設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、噴灑設(shè)備、CO2發(fā)生器構(gòu)成，人機交互界面主要是PC 界面與底層數(shù)據(jù)顯示界面[2]。在保證智能溫室大棚軟件系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，通過優(yōu)化底層硬件提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性[3]。智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計框架

傳感器作為系統(tǒng)的感知部分，也為系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。智能傳感器將采集到的作物環(huán)境溫濕度、棚內(nèi)紫外線強度、CO2濃度等信息通過微處理器STM32F407 單片機處理，通過4G Cat 1 模組上傳至阿里云平臺，阿里云平臺針對大棚內(nèi)環(huán)境信息做出分析與反饋。

2 智慧溫室大棚系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊

溫濕度傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低、控制簡單等特點，在選擇溫濕度傳感器時，考慮到溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度對作物影響狀況，且系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求較高，同時用戶希望系統(tǒng)能夠操作簡單，因此，系統(tǒng)選擇常見的DHT11 溫濕度傳感器作為測量大棚內(nèi)的溫濕度情況[4]。圖2為智慧溫室大棚系統(tǒng)的溫濕度傳感器電路圖。

圖2 溫濕度傳感器電路圖

在我國大棚作物的快速發(fā)展之下，土壤濕度也漸漸成為作物生長的一個重要參考。土壤濕度傳感器中濕敏電容的電容值可用來判斷土壤濕度變化情況，土壤濕度與電容值呈正比關(guān)系，土壤中的濕度越大，電容的值越大。土壤濕度傳感器對大棚內(nèi)的土壤濕度進行檢測后，將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到阿里云平臺，當(dāng)時土壤中水平含量偏低時，云端將會發(fā)出指令啟動噴灑設(shè)備進行噴灑[5]。圖3為智慧溫室大棚系統(tǒng)的土壤濕度傳感器電路圖。

圖3 土壤濕度傳感器電路圖

CO2是植物光合作用的重要原料，當(dāng)溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度較低時，將會抑制農(nóng)作物的光合作用，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。二氧化碳濃度過高時，會影響到大棚內(nèi)農(nóng)作物的有氧呼氣，也會對農(nóng)作物產(chǎn)生危害。因此，及時監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度對農(nóng)作物的生長發(fā)育有著重要作用。二氧化碳濃度不合理時，阿里云平臺將會下達指令啟動二氧化碳發(fā)生器或通風(fēng)設(shè)備，使二氧化碳濃度控制在利于農(nóng)作物生長的范圍內(nèi)。圖4為智慧溫室大棚系統(tǒng)的CO2氣體檢測傳感器電路圖。

圖4 CO2 氣體檢測傳感器電路圖

2.2 智慧溫室大棚系統(tǒng)的微控制器

智慧溫室大棚系統(tǒng)為實現(xiàn)對智能溫室大棚精準(zhǔn)監(jiān)測與控制，對控制器模塊的運算能力要求較高，故選擇STM32F407 單片機作為微控制器[6]。STM32F407 單片機基于CortexTM-M4 內(nèi)核設(shè)計的，最高頻率能夠達到168 MHz，該控制器集成了定時器、多種I/O 接口、ADC、DAC、中央處理器CPU、CRC 計算單元等完整外設(shè)，相當(dāng)于一個小型的計算機系統(tǒng)，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力[7]。并且，STM32F407 單片機具有體積小、性價比高、操作靈活和接口豐富等優(yōu)點，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，通過物聯(lián)網(wǎng)中間件即可實現(xiàn)云端對溫室大棚的遠程控制。

2.3 智慧溫室大棚系統(tǒng)的被控模塊

被控模塊主要用來控制棚內(nèi)的調(diào)溫設(shè)備、控濕設(shè)備、噴灑設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備的運行，智慧溫室大棚系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有自動化控制板，阿里云平臺在感知到異常數(shù)據(jù)時，可以自動發(fā)出指令對開關(guān)進行控制。管理員也可查看云端或手機端的棚內(nèi)作物生長狀況。通過智慧溫室大棚手動控制與自動控制相結(jié)合的方式，使大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達到最優(yōu)值。

系統(tǒng)的底層傳感器將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行簡單處理后，通過通信模塊把數(shù)據(jù)傳給阿里云端，作物環(huán)境參數(shù)與阿里云端預(yù)先設(shè)好的定值進行對比，當(dāng)某一參數(shù)的值達到設(shè)定好的閾值，云端下達控制指令，控制指令再經(jīng)過通信模塊反饋到控制節(jié)點上?？刂圃O(shè)備收到命令后，開始工作，對溫室大棚進行調(diào)溫、控濕、噴灑等操作，實現(xiàn)對溫室大棚的智能調(diào)控[8]。

3 智慧溫室大棚系統(tǒng)軟件設(shè)計

慧溫室大棚系統(tǒng)基于阿里云平臺，系統(tǒng)的軟件設(shè)計可分為數(shù)據(jù)顯示、程序控制、算法分析三大部分。系統(tǒng)啟動之后進行初始化，底層傳感器將獲取的數(shù)據(jù)傳送給單片機，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理，通過通信模塊上傳阿里云平臺，阿里云平臺可遠程下發(fā)指令。為更好地觀察農(nóng)作物生長情況，底層使用LCD 1602 顯示屏將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化。系統(tǒng)在運行的過程中，可記錄棚內(nèi)CO2濃度、溫度、濕度、土壤pH 值等歷史數(shù)據(jù)，以及農(nóng)作物的生長情況。通過引入長短期記憶網(wǎng)絡(luò)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，建立農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測模型，對已知的數(shù)據(jù)集進行訓(xùn)練，尋找能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量最大化的環(huán)境參數(shù)閾值。當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)達到閾值時，通過控制設(shè)備適當(dāng)調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法智能設(shè)置閾值，實現(xiàn)對農(nóng)作物產(chǎn)量的分析、預(yù)測和評估[9]。智慧溫室大棚系統(tǒng)可視化界面如圖5所示。

圖5 棚內(nèi)作物環(huán)境變量可視化界面

4 阿里云平臺

阿里云，阿里巴巴旗下的子公司，是全球領(lǐng)先的云計算及人工智能科技公司，阿里云能夠提供強大的云計算服務(wù)[10]。在使用阿里云平臺時，首先注冊一個阿里云賬號，之后可以通過APP 掃碼或者輸入賬號密碼方式登錄，在阿里云菜單欄中找到“云服務(wù)器ECS”并點擊，用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇可用區(qū)、實例規(guī)格、使用年限、操作系統(tǒng)等，完成云服務(wù)器創(chuàng)建。之后用戶可通過控制臺或XShell 等工具連接服務(wù)器，最后部署應(yīng)用。阿里云控制臺為用戶提供了直觀清晰的用戶頁面，使用簡單的操作就可以對溫室大棚進行控制，在管理Web 應(yīng)用程序時提供了極大的便利。阿里云平臺為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、發(fā)布、處理、應(yīng)用等功能，在人機交互方面有著很好的表現(xiàn)[11]。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)溫室大棚在農(nóng)作物收益方面取得的效果并不理想，消耗人力嚴重，難以實時獲取棚內(nèi)作物生長的環(huán)境溫濕度、土壤pH 值、CO2濃度以及棚內(nèi)紫外線強度等信息，棚內(nèi)生產(chǎn)大部分依靠人力完成，人工成本較高。針對傳統(tǒng)大棚暴露出的問題，設(shè)計智慧溫室大棚系統(tǒng)以實現(xiàn)溫室大棚的智能化管理。智慧溫室大棚系統(tǒng)基于微控制器、傳感器、通信模塊、顯示屏等部件，利用現(xiàn)代化的環(huán)境感知和智能控制技術(shù)提高棚內(nèi)作物生產(chǎn)的智能化水平。智慧溫室大棚作為我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，能夠進一步推動傳統(tǒng)溫室大棚升級轉(zhuǎn)型，加快我國鄉(xiāng)村振興。