基于物聯網的溫室大棚多點光照度采集與管理系統

李輝+周忠凱+陶建平

摘要：針對我國高效、精細農業的快速發展，為滿足設施農業的生產需求，設計1種可用于溫室大棚的多點光照度采集系統。該系統以基于Cortex-M3內核的STM32F103C8T6單片機為核心，以BH1750為光照度采集單元，用RS-485模塊進行數據傳輸，使用VB.NET進行上位機的開發，以SQL Server為后臺數據庫，用ASP.NET進行網頁開發，對采集系統進行全封閉處理，以適應不同的監測環境，實現對不同點光照度的采集、無線傳輸、自動存儲以及遠程監測，用戶可以在任何有網絡覆蓋的地方通過瀏覽器查看并獲取數據。經試驗測試，該系統測量誤差在±6%以內，且測量值與標準值間差異不顯著，滿足使用要求。該系統為在不同光照條件下的合理選種與密植提供了設施基礎，并在一定程度上推動了設施農業和精準農業的發展。

關鍵詞：物聯網；溫室大棚；多點；光照度；無線通信；精準農業

中圖分類號： S126 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0388-04

隨著我國精細農業的不斷發展[1-7]，要求農業生產能夠高效產出，因此對設施農業[8-11]的要求不斷提高；同時，隨著科技水平的提高，農業設施的科技含量也得到很大提升。在農業生產中，光照是重要的環境因素之一[12-15]，應該因地制宜、充分利用光照以提高產出，根據光照情況進行合理選種與密植是實現精細與高效農業的重要手段，為此需要對光照進行實時監測，了解光照情況變化。由于光照監測是長期、高耗時的工作，因此本研究設計適合不同監測環境的多點光照度采集系統，該系統可對大棚中不同點的光照情況進行采集，能夠對采集的信息進行無線傳輸、自動存儲，并可對數據進行遠程管理。

1 系統組成與工作原理

1.1 系統組成

系統由采集系統、無線傳輸模塊、上位機、服務器、遠程監測與管理系統等組成[16]，系統結構如圖1所示。

1.2 工作原理

在進行光照度采集前需要對上位機進行相關參數的設置，主要設置進行光照度采集的時間間隔以及正確輸入上位機與采集系統預先設置的校對碼，然后通過無線傳輸裝置將校對碼發送到下位機，下位機將校對碼與預設校對碼進行比對，如果輸入的校對碼錯誤，系統將提示，如果輸入校對碼正確，下位機采集系統將采集到的數據發送到上位機，上位機將數據實時顯示在界面上并存儲到該PC機的數據庫中，然后通過網絡將數據發送到服務器的數據庫中，打開網絡頁面并正確輸入用戶名、密碼將可以實時監測數據和查詢、下載歷史數據。

2 采集系統

2.1 單片機控制系統程序設計

下位機采集系統[17-20]采用32位STM32F103C8T6 MCU為處理器，為節省系統資源，通過上位機設置信息采集間隔，上位機定時向下位機發送校對碼，下位機比對校對碼，正確則進行數據采集并將采集的數據通過串口發送到上位機，循環作業。系統工作流程如圖2所示。

2.2 光照度采集單元

光照度采集單元由濾光器、光電元件以及接口電路等組成（圖3）。光照度采集單元濾光器采用菲涅耳透鏡進行光照余弦補償，將一定角度內的光照集中到光電元件上，提高接收靈敏度，光照度采集檢測單元工作流程如圖4所示，該系統采用的菲涅爾透鏡（圖5）是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，菲涅爾透鏡在很多時候相當于紅外線及可見光的凸透鏡。

光照度采集單元中光電元件為BH1750傳感器[21]，BH1750環境光傳感器內置16位的模數轉換器，它能夠直接輸出數字信號，不需要再進行復雜的計算。該傳感器使用方便，環境適應性強。

3 信息采集管理系統設計

信息采集管理系統主要完成信息的實時顯示、存儲、歷史相關數據的查詢以及向下位機發送和接收數據、利用網絡將采集到的數據發送到服務器等，采集到的數據將保存到上位機的電腦上，其工作界面見圖6。同時，發送數據到服務器的數據庫中，實現數據的自動備份，保證數據的安全，提高了系統工作的可靠性。

3.1 信息管理系統軟件設計

信息管理系統軟件采用VB.NET進行程序開發，實現了數據的存儲、實時顯示、查詢以及數據的發送與接收等功能；在數據庫的數據表中存儲了數據采集時間與16個采集點數據的17個表項，并實現對查詢數據的導出功能，為數據利用和處理提供了方便。通過服務器IP、數據庫名稱、用戶名和密碼對服務器進行連接，實現數據的遠程保存與備份：conn.ConnectionString=“Server=199.182.x.x；DataBase=RecordDB；User=JAAS；Pwd=ABC；”。

3.2 計算機與單片機通訊

計算機通過串口與無線發送裝置（圖7）相連，通訊協議為采用異步方式傳送數據，數據傳輸速率為9 600 b/s，無校驗位，8位數據位，1位結束位，無線發送裝置采用RFD5800多通道微功率嵌入式無線數傳模塊，傳輸距離為1 000 m；由于現有的計算機基本不配備串口功能，為此使用CP2102芯片實現USB與串口的轉換（圖8），采用Max3485實現TTL電平與RS-485電平的轉換（圖9）。電平轉換代碼：

4 遠程監測與數據管理系統

如圖10所示，遠程監測與數據管理系統采用ASP.NET進行開發，通過網絡對服務器數據庫中的數據進行操作，實現對采集數據的遠程實時監測、歷史數據的管理和下載，避免了數據管理和處理的不便；根據系統分配的不同角色，不同的用戶名具有不同的操作權限，有效避免了對系統的誤操作，保證了系統的安全。

5 安裝與測試

該系統自2013年12月13日至今在江蘇省淮安市淮陰區光伏電站試用，自安裝調試完成后無故障出現，系統工作穩定、可靠；該系統以泰仕電子工業股份有限公司的手持式照度計（型號TES-1332A，量程范圍0.1～200 000.0 lx，分辨率0.1 lx）為測量參考（即標準值）。由表1可知：該系統與標準值相比測量誤差為±6%，滿足使用要求。對標準值與測量值進行方差分析（顯著性水平α=0.05），由表2可知：F值=0.005 4980.05，測量值與標準值間差異不顯著。