基于物聯(lián)網(wǎng)智慧溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)

劉文生

（朝陽工程技術(shù)學校，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)應運而生。為實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)溫度濕度等參數(shù)的精準調(diào)控，節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益，可運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建溫室大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]，對溫室大棚的溫度、濕度、土壤水分等環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)測，并通過移動通信網(wǎng)絡無線傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺監(jiān)控中心。農(nóng)戶使用電腦或手機實時查詢大棚環(huán)境數(shù)據(jù)及各種調(diào)控環(huán)境設備的工作狀態(tài)，農(nóng)戶可以通過移動網(wǎng)絡遠程操控大棚設備，監(jiān)控中心管理系統(tǒng)也可以根據(jù)設定的參數(shù)自動調(diào)控設備，科學精準管理農(nóng)作物生長，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效益。本文設計的智慧農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)，可用基于ZigBee協(xié)議組成的傳感器網(wǎng)絡采集大棚環(huán)境數(shù)據(jù),具有功耗低、成本小、微型化和方便擴展的優(yōu)點。主控制器采用STM32F103單片機，主控制器外接超低功耗且適合物聯(lián)網(wǎng)的A6無線網(wǎng)絡GPRS模塊，農(nóng)作物圖像采集部分使用集成視覺算法的開源OpenMV4 H7攝像頭，可以追蹤病蟲害農(nóng)作物進行拍攝，而傳統(tǒng)攝像頭無選擇地大量拍攝農(nóng)作物圖片，浪費大量系統(tǒng)資源。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚由感知層、網(wǎng)絡層、應用層構(gòu)成。感知層主要包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤濕度等傳感器節(jié)點以及各種調(diào)節(jié)溫室大棚環(huán)境的控制設備[2]。網(wǎng)絡層包括基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡和接入網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊實現(xiàn)大棚環(huán)境感知層傳感器節(jié)點、大棚控制器節(jié)點與網(wǎng)關之間的數(shù)據(jù)通信，網(wǎng)關負責把匯集的信息接入網(wǎng)絡，通過移動通信或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關實現(xiàn)與云服務平臺之間的數(shù)據(jù)交互，將大棚感知層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云服務平臺。應用層以專家系統(tǒng)、人工智能和云計算平臺等為基礎，分析處理感知層采集的數(shù)據(jù)，向控制設備發(fā)出調(diào)整大棚環(huán)境指令信號，向農(nóng)戶提供植物生長的科學信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件以STM32F103微處理器為核心，STM32F103單片機以Cortex-M3為內(nèi)核，時鐘高達72M,有多達112個快速I/O接口和多種通信接口，成本低且性能好[3]。此外還有各種傳感器、視頻攝像頭、ZigBee傳感器網(wǎng)絡模塊、A6 GPRS通信模塊、大棚環(huán)境數(shù)據(jù)顯示模塊和溫室大棚環(huán)境調(diào)節(jié)設備控制模塊。

2.1 溫室大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件

傳感器網(wǎng)絡模塊采用CC2630，它是ZigBee終端管理模塊和協(xié)調(diào)器模塊的核心。溫室大棚面積有幾百平方米，需要采集多個區(qū)域的溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)量可達上千個。ZigBee基于IEEE802.15.4標準的協(xié)議，無線網(wǎng)絡覆蓋幾百米，單個網(wǎng)絡最多可接入六千多個ZigBee設備,組網(wǎng)成本低，傳輸速度快，能夠滿足傳感器數(shù)據(jù)傳輸要求[4]。

（1）圖像采集攝像頭選用OpenMV4 H7，用于大棚農(nóng)作物病蟲害的圖像采集。OpenMV4 H7內(nèi)部集成了很多機器視覺算法，可以設定顏色閾值，采集病蟲害農(nóng)作物圖片。OpenMV4 H7攝像頭具有舵機控制功能，可以實現(xiàn)上下左右180°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)循環(huán)多角度轉(zhuǎn)動追蹤監(jiān)測病態(tài)農(nóng)作物葉片，OpenMV4 H7內(nèi)置的模塊對病蟲害農(nóng)作物拍照存圖，通過網(wǎng)絡上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，運用專家系統(tǒng)進一步判別植物的病蟲害[5]。

（2）溫室大棚溫濕度是兩個重要指標，植物的生長依賴適當?shù)臏貪穸??？刹捎媚芡瑫r監(jiān)控溫度和濕度的SHT15智能傳感器，SHT15具有自行校準功能。

（3）二氧化碳與植物的光合作用有關，而且與光有特定關系?？蛇x用T6004二氧化碳濃度傳感器，該傳感器采用紅外單波非色散理論設計，體積小結(jié)構(gòu)緊湊，具有自行校準功能。采用MAX44009光照強度傳感器，測量范圍為0.045～188000流明，工作電流不足0.65μA，可提供I2C數(shù)字輸出，能于-40℃～85℃溫差范圍內(nèi)運行,功耗很低[6]。

（4）土壤溫濕度是判斷土壤肥力的重要參數(shù)，土壤溫濕度對氮化速度影響極大，土壤氮化程度直接影響土壤的肥力。土壤溫濕度傳感器方面采用Sensirion的SHT21，它含一個標準能隙溫度傳感元件、一個電容式溫度傳感元器件，具有理想的運行可靠性。

（5）液晶顯示方面采用TJC8048K070_011C 型觸摸液晶屏，其主要是用來顯示智能農(nóng)業(yè)溫室大棚內(nèi)的各項環(huán)境參數(shù)并調(diào)節(jié)控制相關參數(shù)。顯示的環(huán)境參量有室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度、風速、雨雪等以及設定的環(huán)境參量值。在觸摸液晶屏上可以控制加濕系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、植物生長燈、通風扇及窗戶的開關，以此來控制溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

2.2 溫室環(huán)境控制模塊

控制模塊接收物聯(lián)網(wǎng)云端控制信息或大棚內(nèi)手動控制指令，通過控制模塊對大棚環(huán)境進行調(diào)節(jié)，主要有升溫、排風、補光遮陽等模塊。采用8路光電耦合繼電器，該繼電器驅(qū)動能力強，性能穩(wěn)定，觸發(fā)電流僅有5mA，繼電器模塊根據(jù)控制器控制指令調(diào)控溫室大棚的環(huán)境設備，主要包括加溫設備、CO2補氣機、排風設備、補光燈、遮陽網(wǎng)等[7]。

2.3 網(wǎng)絡通信模塊

我國大部分溫室大棚分布于農(nóng)村或城市郊區(qū)，互聯(lián)網(wǎng)接入條件不夠方便，這些地區(qū)的移動網(wǎng)絡覆蓋范圍也不及城市區(qū)域廣泛。由于地理環(huán)境的原因，移動通信3G或4G存在網(wǎng)絡不穩(wěn)定的情況，而GPRS網(wǎng)絡目前基本覆蓋了全國絕大部分地區(qū)，信號強度好，穩(wěn)定通暢。溫室大棚智能網(wǎng)關傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，適合采用GPRS通訊方式。本系統(tǒng)采用A6 GPRS模塊，功耗小，提供串口轉(zhuǎn)GPRS/短信息/語音通話等信息傳輸功能，廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)車載環(huán)境檢測等領域。

3 監(jiān)測控制系統(tǒng)軟件

溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)的應用程序主要包括人機交互程序、感知層數(shù)據(jù)傳輸程序、環(huán)境參數(shù)控制程序等部分。監(jiān)測控制系統(tǒng)具有用戶權(quán)限設置、環(huán)境數(shù)據(jù)圖形化處理與分析、農(nóng)作物病蟲害診斷分析和溫室大棚智能管理等功能。用戶權(quán)限設置能夠?qū)Σ煌娜巳涸O定不同等級的管理權(quán)限，系統(tǒng)管理員擁有所有權(quán)限，而普通用戶只有基本的操作權(quán)限。物聯(lián)網(wǎng)平臺軟件支持農(nóng)戶使用電腦和手機對大棚環(huán)境設備狀態(tài)進行實時查詢，監(jiān)測控制系統(tǒng)軟件能夠?qū)⒉杉降臏厥掖笈锏臏囟?、濕度、光照等參?shù)數(shù)據(jù)，進行圖形化數(shù)據(jù)處理并展示，數(shù)值超過設定值，用紅色顯示。具有相應權(quán)限農(nóng)戶可以通過電腦或手機設定大棚環(huán)境閾值，對大棚環(huán)境調(diào)控設備進行控制，滿足農(nóng)作物生長要求。

4 監(jiān)測控制系統(tǒng)測試

監(jiān)測控制系統(tǒng)完成后，將系統(tǒng)置于某農(nóng)業(yè)學校實訓溫室大棚內(nèi)進行測試，大棚安裝8個ZigBee終端采集節(jié)點、1個ZigBee協(xié)調(diào)器。測試方式如下: 使用電腦或手機實時查詢環(huán)境數(shù)據(jù)設備狀態(tài)，設定環(huán)境參數(shù)閾值; 發(fā)出控制指令查看控制設備運行是否正常;登錄云平臺查看數(shù)據(jù)傳輸是否正常。測試結(jié)果：溫度測試誤差±2℃，濕度誤差5%RH，光強誤差±1Lx。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)指令，可以實現(xiàn)遠程自動或手動對設備進行控制。OpenMV4 H7攝像頭采集農(nóng)作物圖片160幅，為農(nóng)作物病蟲害診斷提供依據(jù)。

5 結(jié)論

本文設計的智慧溫室大棚監(jiān)測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室大棚環(huán)境的全方位實時監(jiān)測控制，具有現(xiàn)場手動控制和遠程PC或手機查詢及調(diào)控環(huán)境參數(shù)功能，能為農(nóng)作物提供適合生長的環(huán)境?，F(xiàn)場測試顯示，使用該系統(tǒng)后，農(nóng)作物產(chǎn)量高、品質(zhì)好、能耗少，溫室大棚經(jīng)濟效益得到了提高。