物聯(lián)網(wǎng)大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李聯(lián)鑫，梁冀，林雪瓊，李才懿

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)當(dāng)前情況是“大國(guó)小農(nóng)”，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)正面臨著從業(yè)人員不足，老齡化，農(nóng)業(yè)用地逐漸下降等問(wèn)題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。自黨的第十三屆人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)之后，我國(guó)就開(kāi)始全面實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，同時(shí)農(nóng)業(yè)也進(jìn)行了全面升級(jí)，打破了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，向新型的智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，加快了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的建設(shè)。在智慧農(nóng)業(yè)中，農(nóng)業(yè)大棚是近年來(lái)備受歡迎的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展研究方向，研究人員通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求，設(shè)定大棚內(nèi)的適合農(nóng)作物成長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境，以提高農(nóng)作物的生產(chǎn)量。為實(shí)現(xiàn)面向農(nóng)業(yè)大棚的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，利用多樣傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)APP 分別完成大棚生態(tài)參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)終端、監(jiān)測(cè)平臺(tái)的組建，可對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境變量進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、傳輸和監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可通過(guò)手機(jī)App 對(duì)設(shè)備進(jìn)行修改與調(diào)整，為農(nóng)作物提供更好的生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也徹底減輕了農(nóng)業(yè)從事人員的工作負(fù)擔(dān)。

1 研究?jī)?nèi)容

農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以STM32 單片機(jī)為核心硬件，結(jié)合多參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的檢測(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)溫濕度處理模塊、光照監(jiān)測(cè)模塊、空氣煙霧檢測(cè)模塊、土壤監(jiān)測(cè)模塊、大氣壓監(jiān)測(cè)模塊、紫外線檢測(cè)模塊、風(fēng)速檢測(cè)模塊對(duì)大棚的各個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并傳送至控制核心，核心硬件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并處理，將處理后的數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各個(gè)參數(shù)及設(shè)備控制，從而實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化、智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述條件，本系統(tǒng)將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。為了能夠給農(nóng)作物提供更加合理的生長(zhǎng)環(huán)境，系統(tǒng)需要對(duì)農(nóng)業(yè)大棚進(jìn)行合理的架設(shè)，選擇合適的供電方式，使其能更高效且經(jīng)濟(jì)地為棚內(nèi)各個(gè)模塊供電。由于采集的環(huán)境參數(shù)多種多樣，因此需要建立有效的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制大棚內(nèi)的各個(gè)設(shè)備，能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)開(kāi)啟或者關(guān)閉指定設(shè)備，根據(jù)需求調(diào)節(jié)棚內(nèi)的各個(gè)參數(shù)，為農(nóng)作物提供更舒適的生長(zhǎng)環(huán)境。

（2）傳感信息采集。采用各個(gè)模塊組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)大棚內(nèi)空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度，土壤濕度、水分以及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)采集和傳輸。針對(duì)采集數(shù)據(jù)的參數(shù)建立適合的傳輸方式，使其能準(zhǔn)確上傳、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)上傳數(shù)據(jù)，控制核心可以根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，調(diào)節(jié)農(nóng)作物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。

（3）監(jiān)測(cè)平臺(tái)的選擇。為了保證數(shù)據(jù)的安全性和用戶的操作便利性，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)感，建立一款安全、可靠、便捷的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)是十分必要的，可以方便用戶隨時(shí)隨地查詢農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)。

2 設(shè)計(jì)方案

基于STM32 的物聯(lián)網(wǎng)大棚農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件相結(jié)合設(shè)計(jì)完成，硬件部分由STM32 主控模塊、溫濕度處理模塊、液晶顯示模塊、光照監(jiān)測(cè)模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊、土壤監(jiān)測(cè)模塊、大氣壓監(jiān)測(cè)模塊、紫外線檢測(cè)模塊組成。軟件部分主要完成STM32 的對(duì)傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)處理及云平臺(tái)的連接和手機(jī)App相結(jié)合，負(fù)責(zé)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的電路原理圖如圖2 所示，主要由STM32、與WiFi 模塊以及多個(gè)傳感器模塊組成。

圖2 電路原理圖

圖3 BH1750 光照檢測(cè)模塊

圖4 MQ-2 煙霧檢測(cè)模塊

圖5 大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊

■3.1 主控模塊

STM32F103C8T6 是ST 公司生產(chǎn)的Cortex-M 3 處理器內(nèi)核的 32 位微控制器，具有高效能、低能量消耗、低電壓，豐富的通信接口等特點(diǎn)?；赟TM32 系統(tǒng)的各個(gè)性能和STM32F103C8T6 芯片的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6 作為主控對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的內(nèi)部環(huán)境檢測(cè)以及設(shè)備的控制，輔助由電容，電感形成的外部晶振電路形成單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘電路，保證其能正常工作，以便對(duì)采集后的數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。

■3.2 BH1750 光照檢測(cè)模塊

光照傳感器采用BH1750。BH1750 內(nèi)部由photodiode、OPAMP、ADC 采集、Oscillator 組成，其主要通過(guò)透入光窗的光來(lái)判斷光照大小，即進(jìn)入的光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的電流越大，電壓就越大。在通訊方面，當(dāng)STM32 單片機(jī)與BH1750 相連時(shí)，BH1750 不做電平轉(zhuǎn)換便可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K上，單片機(jī)通過(guò)I2C 協(xié)議與光照傳感器通訊，進(jìn)而將其中寄存器中得到的光照度信息獲取出來(lái)。

■3.3 MQ-2 煙霧檢測(cè)模塊

煙霧傳感器采用MQ-2。MQ-2 是一種SnO2表面離子式N 型半導(dǎo)體材料，是一種用途廣泛、性價(jià)比高且操作簡(jiǎn)單的現(xiàn)代集成傳感器，常用于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。在周?chē)h(huán)境溫度為200℃～300℃時(shí)，其二氧化錫σ 會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)煙霧密度越大，σ 越大，電流在電路中的阻礙程度會(huì)更小，能夠更順利地流過(guò)電路，輸出的模擬信號(hào)會(huì)增大，從而監(jiān)測(cè)到煙霧的存在信息?？梢愿鶕?jù)這一特性，對(duì)大棚內(nèi)的氣體監(jiān)測(cè)，當(dāng)大棚內(nèi)出現(xiàn)有害氣體且不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的氣體時(shí)，傳感器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶。

■3.4 紫外線檢測(cè)模塊

紫外線傳感器采用CJMCU-GUVA-S12SD。CJMCUGUVA-S12SD 由氮化鎵材料的肖特總類的光敏二極管組成，適用于光電模式。該傳感器原理為，利用光敏元器件通過(guò)光伏模式和光導(dǎo)模式將紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)，輸出的電流與光照強(qiáng)度成正比。其光譜的監(jiān)測(cè)范圍為240～370nm，很好的適用于太陽(yáng)光中的紫外線監(jiān)測(cè)，同時(shí)具有的線性好、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。

■3.5 大氣壓強(qiáng)檢測(cè)模塊

大氣壓傳感器采用BMP280。BMP280 是由壓電壓力傳感單元、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，其主要工作在1.9～3.6V 的電壓下。工作原理為讓BMP280 的自帶的壓力傳感單元，經(jīng)過(guò)ADC 采樣導(dǎo)入到校正存儲(chǔ)器，經(jīng)由I2C 通信協(xié)議讀出氣壓值，氣壓測(cè)量的范圍為300hPa～1100hPa，最大誤差為±1hPa，基本滿足系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)部氣壓的監(jiān)測(cè)要求。

■3.6 土壤濕度檢測(cè)模塊

土壤濕度傳感器采用YL-69。YL-69 工作在DC3.3-5V的電壓下，其工作原理為濕敏電容，當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生改變時(shí)，土壤濕度檢測(cè)模塊的輸出電壓值也會(huì)隨著土壤的濕度變化，通過(guò)ADC 采集電壓進(jìn)行數(shù)值換算。

■3.7 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊采用CN-TTS。CN-TTS 是一款可實(shí)現(xiàn)高集成度的語(yǔ)音組成模塊，可以完成中、英、數(shù)字的語(yǔ)音拼合。該模塊通過(guò)TTL 串口發(fā)送GBK 編碼的方式與單片機(jī)的IO口相連，根據(jù)系統(tǒng)的需求編寫(xiě)適合的軟件程序完成相應(yīng)命令詞或者提示音寫(xiě)入，當(dāng)觸發(fā)到單片機(jī)指定的指令，其就會(huì)直接輸出至4Ω3W/8Ω2W 的喇叭，進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音播報(bào)，此模塊在農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)起到很好的提示作用。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是對(duì)STM32F103C8T6 單片機(jī)進(jìn)行編程控制、手機(jī)APP開(kāi)發(fā)并編程，以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各監(jiān)控參數(shù)的采集、傳輸、監(jiān)控和設(shè)備的控制，并通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)棚內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

■4.1 STM32 軟件設(shè)計(jì)

本模塊旨在通過(guò)對(duì)主控模塊的程序設(shè)計(jì)來(lái)執(zhí)行對(duì)各個(gè)模塊采集數(shù)據(jù)的收發(fā)與環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，首先將系統(tǒng)初始化連接上WiFi 后，單片機(jī)將會(huì)通過(guò)串口和I2C 通信以及ADC采集獲取傳感器數(shù)據(jù)，并將其可視化到顯示屏上，之后采集裝置采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理和分析后通過(guò)MQTT 協(xié)議與ONENET 平臺(tái)相連，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以上傳并存儲(chǔ)到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，使得手機(jī)可以在APP 云平臺(tái)上獲取到各模塊數(shù)據(jù)。

■4.2 移動(dòng)端軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款A(yù)PP，用戶能更方便地了解大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)以及根據(jù)實(shí)際需要對(duì)大棚內(nèi)進(jìn)行設(shè)備的控制。為了實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，本設(shè)計(jì)通過(guò)WiFi連接ONENET 云平臺(tái)，APP 通過(guò)GET 指令獲取云平臺(tái)的產(chǎn)品設(shè)備API 的數(shù)據(jù)，通過(guò)解析獲取到的數(shù)據(jù)得到單片機(jī)上傳至云平臺(tái)的各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)成功之后就手機(jī)APP界面就顯示農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)監(jiān)測(cè)到的各項(xiàng)的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，使其農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境處于最佳狀態(tài)，設(shè)計(jì)的手機(jī)APP 顯示界面如圖7 所示。

圖7 手機(jī)APP 運(yùn)行效果圖

圖8 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

圖9 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)大棚實(shí)物圖

5 系統(tǒng)的實(shí)物圖及系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)調(diào)試結(jié)果得到，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)下的農(nóng)業(yè)大棚中的各種傳感器正確地將各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅藞D10 實(shí)物顯示屏監(jiān)測(cè)界面上，而實(shí)物顯示屏監(jiān)測(cè)界面也直觀無(wú)誤地顯示出傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)測(cè)界面的顯示屏上，達(dá)到足不出戶便可掌控大棚內(nèi)生態(tài)環(huán)境的功能，實(shí)現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)大棚，傳感器采集的數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)界面里一目了然，上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面直觀地顯現(xiàn)出了溫濕度、土壤、光照以及各種數(shù)據(jù)，便于后續(xù)合理利用資源，達(dá)到提高農(nóng)作物的質(zhì)量與采收。

圖10 實(shí)物顯示屏監(jiān)測(cè)界面

6 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)大棚是智慧農(nóng)業(yè)在未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略目標(biāo)的重要一步。通過(guò)智能的農(nóng)業(yè)大棚能夠有效地改善農(nóng)作物生態(tài)環(huán)境，且通過(guò)收集大棚環(huán)境參數(shù)信息，并適當(dāng)控制和調(diào)整相關(guān)參數(shù)信息，為農(nóng)作物提供最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，合理利用資源，從而提高生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)了完成的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集裝置配合完成的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)有效監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，該農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)成本低、生產(chǎn)周期短、部署簡(jiǎn)單且用戶可隨時(shí)通過(guò)手機(jī)APP 實(shí)時(shí)獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息等優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信息技術(shù)，傳感技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等手段來(lái)改善和優(yōu)化農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效化、智能化和可持續(xù)化發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)。