基于IoＴ平臺(tái)的智能溫室大棚測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

何文靜 肖紫蕓 肖玲玲

摘? 要：隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施的發(fā)展，溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位越來越重要。溫室大棚的運(yùn)用有效降低了外界環(huán)境對(duì)農(nóng)植物生長帶來的惡劣環(huán)境，是提高農(nóng)植物的生長周期與產(chǎn)量的有效途徑之一。在農(nóng)植物種植過程中，大棚環(huán)境的控制對(duì)于種植的農(nóng)植物的生長狀況至關(guān)重要，文章設(shè)計(jì)的溫室大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片，通過ESP8266和TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與移動(dòng)設(shè)備的通信。用戶可以通過系統(tǒng)自帶的LCD1602液晶顯示屏或移動(dòng)設(shè)備查看實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)支持手動(dòng)按鍵設(shè)置自動(dòng)控制范圍和通過移動(dòng)設(shè)備登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的網(wǎng)頁、APP或者微信公眾號(hào)查看環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程調(diào)控環(huán)境兩種方式去使溫室環(huán)境恒定。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2;ESP8266;TCP協(xié)議;物聯(lián)網(wǎng);LCD1602

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0039-03

Abstract： With the development of agricultural facilities， greenhouse plays an increasingly important role in agricultural production. The use of greenhouse effectively reduces the adverse environment of the external environment for the growth of agricultural plants， and is one of the effective ways to improve the growth cycle and yield of agricultural plants. In the process of planting plants， the control of greenhouse environment is very important for the growth of plants. The temperature and humidity automatic control system of greenhouse designed in this paper uses STC12C5A60S2 single chip as the control chip， and realizes the communication between the single chip and the mobile device through ESP8266 and TCP protocol. Users can view the real-time environment parameters through the LCD1602 LCD or mobile device provided with the system. The system supports manual buttons to set up automatic control range and mobile devices to log in the Internet of things platform web pages， APP or WeChat official account to see environmental parameters， remote control environment two ways to make the greenhouse environment constant.

Keywords： STC12C5A60S2; ESP8266; TCP protocol; Internet of Things （IoT）; LCD1602

前言

我國作為人口大國，對(duì)于糧食的需求量十分大，不斷增長的人口、有限的土地資源，使得農(nóng)業(yè)在我國是重要的支柱型產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著決定性的影響[1]。21世紀(jì)以來隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的大力投入推廣，大棚技術(shù)不斷在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及，農(nóng)戶對(duì)溫室大棚的使用不斷增加，從而導(dǎo)致溫室大棚在我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)成產(chǎn)中的比重日益增長。溫室大棚對(duì)于蔬菜、花卉為主的植物栽培有著重要的作用，其產(chǎn)業(yè)被看作21世紀(jì)活力的新型產(chǎn)業(yè)之一。

對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言，農(nóng)植物的成長嚴(yán)重依賴于自然天氣，而我國大部分地區(qū)的氣候?qū)τ谵r(nóng)植物的生長有著很大的約束，嚴(yán)重限制了農(nóng)植物的產(chǎn)量和生長周期。溫室大棚可以為農(nóng)植物提供適宜的生長環(huán)境[2]，避免外界自然環(huán)境變化和自然災(zāi)害來臨導(dǎo)致的對(duì)農(nóng)植物生長的不良影響，減小農(nóng)植物對(duì)于外界環(huán)境的依賴，并且利用冬季自然光能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)反季節(jié)產(chǎn)品，增長農(nóng)植物的生長周期。溫室是農(nóng)植物在栽培中最重要的環(huán)境條件，而溫室的重要參數(shù)空氣中的溫度和濕度、光照強(qiáng)度等[3]，不同種類的植物物種對(duì)于溫度和濕度的要求不相同，為了最終成長而成的蔬菜或花卉等農(nóng)植物品相好，使得農(nóng)植物商品不受外界條件的限制，滿足現(xiàn)在居民生活水平，促使農(nóng)戶的利益最大化，保證適宜的、良好的生長環(huán)境至關(guān)重要。

溫室大棚的用戶對(duì)象是農(nóng)戶，開發(fā)低成本的溫室大棚溫濕度控制系統(tǒng)至關(guān)重要。現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到當(dāng)今階段的必然產(chǎn)物，智能農(nóng)業(yè)成為發(fā)展趨勢，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到現(xiàn)階段的新要求[4-5]，將現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)用于控制溫室環(huán)境，可以遠(yuǎn)程加自動(dòng)控制大棚內(nèi)的溫濕度等因素，減少人工成本，把農(nóng)戶從大棚農(nóng)作中解放出來，隨時(shí)隨地監(jiān)控室內(nèi)溫濕度，及時(shí)調(diào)控室內(nèi)溫濕度等重要環(huán)境參數(shù)，保證農(nóng)植物始終處于最佳生長狀態(tài)，將控制失誤成本降低。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制芯片，5V電壓供電，通過相應(yīng)的傳感器實(shí)時(shí)檢測大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過A/D電路進(jìn)行采樣、量化、編碼后實(shí)時(shí)顯示出來并通過WiFi上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。系統(tǒng)如圖1所示主要分為檢測模塊、顯示模塊、通信模塊和控制模塊。檢測模塊分為按鍵檢測單元和大棚環(huán)境參數(shù)檢測單元，大棚環(huán)境參數(shù)檢測單元由溫濕度檢測、光照強(qiáng)度檢測和土壤濕度檢測構(gòu)成，用于檢測大棚內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)。顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)LCD1602液晶屏和云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數(shù)。WiFi模塊由ESP8266芯片實(shí)現(xiàn)WiFi功能，該模塊通過TCP通信協(xié)議讓單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信?？刂颇K由加溫控制、水泵控制和風(fēng)扇控制構(gòu)成，通過該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制和云控制。

1.2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)主要是使用keil軟件編程系統(tǒng)代碼以及用tlink網(wǎng)站搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。keil程序代碼如圖2所示主要分成延遲處理、A/D轉(zhuǎn)換、串口通信、按鍵設(shè)置、傳感器設(shè)置、LCD1602設(shè)置和WiFi設(shè)置，將部分參數(shù)設(shè)置與tlink相關(guān)聯(lián)，通過各函數(shù)的相互作用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及運(yùn)用

2.1 STC12C5A60S2單片機(jī)

STC12C5A60S2單片機(jī)是新一代8051系列雙串口的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，具有高速、低功耗、強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)。它是STC89C52的升級(jí)版芯片，傳統(tǒng)的8051指令代碼可以完全兼容于該單片機(jī)。該芯片的工作電壓在3.3V-5.5V，工作頻率范圍在0-35MHz，該芯片用戶最高可以應(yīng)用的程序空間為62K字節(jié)。芯片的IO端口共有40個(gè)，IO端口有四種工作模式，分別為弱上拉、強(qiáng)上拉、輸入/高阻和開漏，該芯片自帶A/D轉(zhuǎn)換電路，不用在外加AD轉(zhuǎn)換電路，它含有兩個(gè)全雙工串行通信接口，串口通信功能比較強(qiáng)大。與STC89C52單片機(jī)相比，STC12C5A60S2單片機(jī)的讀取處理速度更快，是STC89C52單片機(jī)的8-12倍。其自帶A/D轉(zhuǎn)換電路和PWM，比STC89C52單片機(jī)多了兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)串口，增加了PCA定時(shí)器，且內(nèi)部有EEPROM（帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器），掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

2.2 土壤濕度數(shù)據(jù)處理

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用的是運(yùn)用電容感應(yīng)原理工作的土壤傳感器，它避免了傳統(tǒng)土壤濕度傳感器易被腐蝕的缺點(diǎn)。在使用該傳感器前要進(jìn)行一個(gè)干濕度校準(zhǔn)操作，該操作主要通過分別讀取傳感器在空氣中和水中的數(shù)值來限定土壤濕度檢測的測量范圍，在矯正代碼燒錄到板子中后，將傳感器放置在空氣中讀取模擬值X1，代表干燥的時(shí)候的讀數(shù)，百分比設(shè)定為0%。接著將傳感器插入水中讀取模擬值X2，代表潮濕環(huán)境下的值，百分比設(shè)定為100%。對(duì)獲取的兩個(gè)干濕度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用線性直線 y=kx+b擬合，其中y表示土壤濕度百分比，x表示實(shí)時(shí)土壤濕度的值，斜率k=（X2-X1）×100，截距b=X1×100。

采用的土壤傳感器在空氣中讀取的模擬值X1=2.13，在水中讀取的模擬值為X2=1.35，通過計(jì)算得到擬合的線性直線方程為y=213-78x。

程序設(shè)計(jì)中令土壤傳感器通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取的數(shù)字信號(hào)的值為 tmp，由上文可知

本文系統(tǒng)的DA數(shù)模轉(zhuǎn)換分辨率為：

LSB=FS/（2^10）? ? ? ? ? ? ? （1）

供電電壓為5V，則經(jīng)過DAC后得到的模擬信號(hào)的值：

Voltage=tmp×（5/（2^10））? ? ? （2）

將該值放入擬合的線性直線方程中即可得到大棚內(nèi)土地中的實(shí)時(shí)土壤濕度百分比。

2.3 WiFi設(shè)置

2.3.1 4G通信技術(shù)

4G通信技術(shù)即第四代移動(dòng)信息系統(tǒng)，它是從3G通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，它結(jié)合了3G通信技術(shù)和WLAN技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，并大幅度提升了通信速度、上網(wǎng)速度以及數(shù)據(jù)傳輸速度等。4G通信技術(shù)的高速讓物聯(lián)網(wǎng)變得可以實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)開始興起。

2.3.2 TCP協(xié)議

現(xiàn)在的Internet的主流協(xié)議族為TCP/IP協(xié)議族，這是一個(gè)分層、多協(xié)議的通信體系。TCP/IP協(xié)議族共分為四層，協(xié)議系統(tǒng)自上而下依次分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。每一層通過對(duì)應(yīng)層的協(xié)議完成各自不同的功能和任務(wù)且封裝后給上層協(xié)議提供服務(wù)。

TCP協(xié)議是該協(xié)議族中傳輸層的一個(gè)常用的協(xié)議，它比該層協(xié)議之一的UDP協(xié)議更加可靠，它主要通過超時(shí)便重傳數(shù)據(jù)的方式確定接受端給應(yīng)用層提供了端對(duì)端、可靠的基于流的協(xié)議服務(wù)，給通信雙方提供一個(gè)穩(wěn)定的連接道路。TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)流分割成一段報(bào)文段，并給每個(gè)報(bào)文段確定序號(hào)確保數(shù)據(jù)發(fā)送正確。

2.3.3 TLINK物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置

TLINK物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開放平臺(tái)，它提供網(wǎng)頁端、APP和微信公眾號(hào)三個(gè)平臺(tái)供用戶登錄查看和控制單片機(jī)設(shè)備。

系統(tǒng)WiFi物聯(lián)網(wǎng)頁面設(shè)置通過網(wǎng)址https：//www.tlink.io/進(jìn)入TLINK網(wǎng)頁端，添加名字為大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備，并將設(shè)備的鏈接協(xié)議設(shè)置為TCP協(xié)議，在該設(shè)備下添加四個(gè)數(shù)值型傳感器和三個(gè)開關(guān)型傳感器。其中四個(gè)數(shù)值型傳感器分別命名為溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度，用來顯示大棚內(nèi)系統(tǒng)硬件檢測的大棚對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，三個(gè)開關(guān)型傳感器命名為風(fēng)扇、加熱和抽水，分別用來打開或關(guān)閉控制風(fēng)扇、加熱器和水泵開關(guān)的繼電器。將傳感器單位、精度等設(shè)置好后保存設(shè)備。接著給該設(shè)備設(shè)置協(xié)議標(biāo)簽，本文系統(tǒng)設(shè)置的協(xié)議標(biāo)簽數(shù)據(jù)頭標(biāo)簽[H]和結(jié)束符標(biāo)簽[T]都為“#”，分隔符[S]為“-”。最終編輯的協(xié)議為[H：#] [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [S：-]? [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [S：-] [D？] [T：#]。最后將設(shè)備的序列號(hào)復(fù)制到代碼對(duì)應(yīng)位置，完成物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)置。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將系統(tǒng)用USB連接電腦給系統(tǒng)提供電源，然后用適量的土壤裹著土壤干濕度傳感器模仿土地環(huán)境，打開系統(tǒng)，通過手機(jī)微信端進(jìn)入TLINK小程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)運(yùn)行正常。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)我國目前溫室大棚的現(xiàn)狀與需求給出的方案，可以用來針對(duì)目前運(yùn)行的大型聯(lián)動(dòng)傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行提升改造作參考，系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。系統(tǒng)采用的硬件材料可靠、便宜，系統(tǒng)整體成本低，也適合大多數(shù)獨(dú)立種植的農(nóng)戶中推廣。它結(jié)合了目前移動(dòng)設(shè)備的普遍性和便利性，支持手動(dòng)按鍵方式和遠(yuǎn)程控制方式兩種方式。其中遠(yuǎn)程監(jiān)控主要通過ESP8266和TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)將放置在大棚內(nèi)的系統(tǒng)以4G網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)設(shè)備建立通信連接，讓用戶脫離大棚，遠(yuǎn)程對(duì)大棚參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，減少人工的負(fù)擔(dān)，對(duì)提過生產(chǎn)效率具有較好的實(shí)際意義。

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