基于物聯(lián)網(wǎng)的智能蔬菜大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究

韋明崢 凌加平 周俊男 李克儉 田敬北

摘 要：蔬菜大棚可以廣泛用于特定作物的耕作。但是傳統(tǒng)的蔬菜大棚存在以下問(wèn)題：大棚室內(nèi)數(shù)據(jù)需人工查看，人工補(bǔ)充，自動(dòng)化程度低;一套蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，成本高，不利于大面積使用;對(duì)多個(gè)大棚監(jiān)控不足，不方便集中管理等等。為解決上述問(wèn)題，研究了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)溫濕度、光強(qiáng)等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的同時(shí)，將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)送到機(jī)智云平臺(tái)，用戶在平臺(tái)上可用PC端或安卓手機(jī)APP設(shè)置自動(dòng)監(jiān)控或手動(dòng)監(jiān)控，對(duì)大棚室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)蔬菜大棚室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理、補(bǔ)償、顯示，可滿足農(nóng)業(yè)上對(duì)蔬菜大棚的自動(dòng)化監(jiān)控要求，并具有性價(jià)比高、方便集中式監(jiān)控的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Zig Bee;ARM;傳感器;蔬菜大棚

隨著社會(huì)的變遷，我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展已從原有的單純追求質(zhì)量變?yōu)樽非髢?yōu)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效。智能化大棚的出現(xiàn)使人們開(kāi)始重視農(nóng)業(yè)科技。由于種植環(huán)境中的溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子對(duì)作物生長(zhǎng)有很大的影響，通過(guò)蔬菜大棚為作物創(chuàng)造一個(gè)可控的種植環(huán)境雖然可以提高作物產(chǎn)量，但如果沒(méi)有大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，蔬菜大棚的管理成本和設(shè)施成本都相當(dāng)高，而且人工管理始終不如智能管理方便和精準(zhǔn)。

綜上分析，由于我國(guó)農(nóng)村的蔬菜大棚還是處于欠發(fā)展?fàn)顟B(tài)，我國(guó)有蔬菜大棚歷史的農(nóng)村，迫切需要一套遠(yuǎn)程蔬菜大棚控制系統(tǒng)，為此本項(xiàng)目研究了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜大棚遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)蔬菜大棚的環(huán)境做一個(gè)有效的管理以達(dá)到更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)致力于我國(guó)農(nóng)村蔬菜大棚研究，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)外資料的搜集與研究，針對(duì)蔬菜大棚發(fā)展的實(shí)際情況，確定系統(tǒng)的組成模塊，然后對(duì)電路控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作。整個(gè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用的是扇形設(shè)計(jì)，這樣方便卷簾收放，可以達(dá)到很好的散熱與補(bǔ)光效果，由ARM控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，蔬菜大棚室內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)云端服務(wù)器發(fā)送到用戶終端（手機(jī)APP），用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控蔬菜大棚室內(nèi)環(huán)境，維持蔬菜大棚室內(nèi)生長(zhǎng)所需要的環(huán)境。

系統(tǒng)各模塊功能如下：

（1）使用溫度傳感器，濕度傳感器，CO2濃度傳感器，光強(qiáng)傳感器，pH傳感器等傳感器搜集數(shù)據(jù)，向控制中心傳達(dá)信息，以保證大棚室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。

（2）使用TFT-LCD液晶屏顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，使用太陽(yáng)能與蓄電池一起進(jìn)行系統(tǒng)供電，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與系統(tǒng)供能。

（3）使用ARM作為控制核心，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使執(zhí)行系統(tǒng)的卷簾機(jī)，風(fēng)機(jī)，灌溉系統(tǒng)，二氧化碳補(bǔ)償器等能進(jìn)行自動(dòng)起、?；蚨〞r(shí)開(kāi)啟，進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充與縮減。

（4）借助機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品手機(jī)APP的開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)點(diǎn)的接入與設(shè)置。用戶通過(guò)安卓手機(jī)APP遠(yuǎn)程發(fā)送命令使系統(tǒng)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要的硬件電路包括STM32F-103ZET6核心主控電路、ESP8266Wi-Fi模塊連接電路、CC2530數(shù)據(jù)采集電路、TFT-LCD顯示電路、繼電器控制電路。傳感器模塊包括GY-39溫濕度光強(qiáng)度傳感器、CCS811二氧化碳傳感器、賽通ST-TR-PH土壤酸堿度傳感器等，來(lái)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)。執(zhí)行器件包括風(fēng)機(jī)、卷簾、灌溉水泵、補(bǔ)光燈等。圖2為總體硬件設(shè)計(jì)圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

除了硬件設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目還需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚遠(yuǎn)程控制與聯(lián)網(wǎng)等功能。本項(xiàng)目是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)集中循環(huán)采集傳感器數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)給主控進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)與蔬菜生長(zhǎng)需求環(huán)境數(shù)據(jù)相比較，如果數(shù)據(jù)相差大就自動(dòng)進(jìn)行執(zhí)行裝置的補(bǔ)償，也可進(jìn)行人工調(diào)整，不斷檢測(cè)不斷的補(bǔ)償，使大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)平衡。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

本系統(tǒng)采集的傳感器數(shù)據(jù)匯集到CC2530，再由CC2530發(fā)送到STM32F-103ZET6單片機(jī)，把采集到的數(shù)據(jù)在LCD液晶屏上現(xiàn)場(chǎng)顯示，單片機(jī)再與ESP8266Wi-Fi模塊進(jìn)行通訊，ESP8266Wi-Fi與路由器網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)而連接互聯(lián)網(wǎng)，用戶就可以實(shí)時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。主控程序控制流程圖如圖4。

4 驗(yàn)證

本系統(tǒng)以適宜大白菜生長(zhǎng)環(huán)境為例，控制蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)，生長(zhǎng)溫度范圍是15±10°C，光照需求為中等強(qiáng)度，光合補(bǔ)償點(diǎn)為1500Lx（25umol/m2·s），光飽和點(diǎn)為4000Lx（950umol/m2·s）。土壤pH需為中性或弱酸性（pH值：65-7.0），含水量保持在16%～18%，空氣中CO2濃度在1000uL/L左右。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的搭建，進(jìn)行執(zhí)行裝置的動(dòng)態(tài)調(diào)控，蔬菜大棚室內(nèi)環(huán)境能穩(wěn)定在適合大白菜生長(zhǎng)的環(huán)境范圍內(nèi)。

在機(jī)智云平臺(tái)經(jīng)過(guò)注冊(cè)登錄、選擇技術(shù)方案以及創(chuàng)建產(chǎn)品之后，平臺(tái)會(huì)對(duì)應(yīng)的生成手機(jī)APP。經(jīng)過(guò)手機(jī)APP上的環(huán)境參數(shù)調(diào)控，蔬菜大棚內(nèi)的執(zhí)行裝置會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)補(bǔ)償，維持蔬菜大棚內(nèi)的適合當(dāng)前農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境。手機(jī)APP界面圖如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能性較強(qiáng)，系統(tǒng)工作整體穩(wěn)定，較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。手機(jī)APP設(shè)置界面友好，操作簡(jiǎn)單，能較好地控制蔬菜大棚內(nèi)的溫濕度、光強(qiáng)、二氧化碳等環(huán)境參數(shù)。同時(shí)本系統(tǒng)還可以外接其他設(shè)備，未來(lái)可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，如自動(dòng)化施肥、除草等，通過(guò)更快更密集的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充控制、采用更為復(fù)雜的手機(jī)終端管理等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]高蒙.基于機(jī)智云平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安理工大學(xué)，2019.

[2]張儷亭，楊習(xí)偉.基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2018，15（24）：41-42.

[3]汪曉樂(lè).基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢輕工大學(xué)，2018.

[4]李瑋瑤，王建璽，王巍.基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（12）：51-54.

[5]楊銓.蔬菜大棚溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011（21）：90-92.

作者簡(jiǎn)介：韋明崢（1996—），男，壯族，廣西來(lái)賓人，本科，研究方向：自動(dòng)控制;凌加平（1996—），男，壯族，廣西隆安人，本科，研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器;周俊男（1996—），男，壯族，廣西恭城人，本科，研究方向：軌道交通信號(hào)與控制;李克儉（1962—），女，漢族，湖北武漢人，本科，教授，研究方向：過(guò)程控制及自動(dòng)化裝置;田敬北（1975—），男，壯族，廣西上林人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：信號(hào)與信息處理及電子技術(shù)方面。