溫室內部空氣環境數據采集終端的設計與研究

◆關麗華

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溫室內部空氣環境數據采集終端的設計與研究

◆關麗華

(山西經貿職業學院山西 030000)

隨著現代電子信息技術的不斷發展與完善，網絡技術、微型傳感器技術、物聯網技術在農業生產中發揮出越來越重要的作用。通過對溫室內部的空氣環境數據進行實時監測與在線存儲，大幅減少了人工作業，并有效提升了溫室大棚空氣環境數據采集的準確度與實時性。在提高農業生產資源利用率、促進現代農業可持續發展等方面都有著非常重要的意義。

傳感器技術；物聯網技術；溫室管理；空氣檢測

0 引言

在溫室大棚的運行過程中，空氣的溫濕度、二氧化碳與氧氣的含量變化是幾個非常重要的參數，將上述條件通過技術手段將其人為控制在最優范圍內，對農業大棚的作物產量與經濟效益有著重要影響，而準確的實時數據采集功能則是設計合理有效的環境控制方案的必要前提條件。

1 系統的整體架構

數據采集終端需要實現對農業大棚內部的4項空氣環境參數（溫度、濕度、二氧化碳濃度及氧氣濃度）的采集以及數據的格式轉換與上傳功能，數據采集功能通過在Raspberry Pi 3B+平臺上搭載微型傳感器設備來實現，這些傳感器使用杜邦線與Raspberry Pi 3B+平臺所提供的GPIO接口（40個接口中含多個電源輸出即數據I/O接口）連接并進行信號傳輸[1]。而數據的格式轉換與遠程上傳功能則由在Raspberry Pi 3B+平臺運行的Python程序實現。系統硬件架構如圖1所示。

1.1 二氧化碳數據的采集功能

系統為實現二氧化碳數據的采集功能所選用的氣體傳感器模塊為BYC11-CO2，在本項目中，主要使用BYC11-CO2傳感器的3個引腳：Pin1（信號輸出），Pin4（接地），Pin5（供電輸入）。BYC11-CO2與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表1所示。

圖1 系統硬件架構

表1 BYC11-CO2線路連接方式

BYC11-CO2發送的是一組高低電平脈沖信號，檢測24位數據（16位數據與8位校驗位）以高電平信號的持續時間進行描述，以低電平信號為結束標記。信號的處理基于對傳感器輸出電平變化的檢測來完成，其中第一個循環用于等待高電平信號的接收（即等待信號開始），第二個循環用于等待低電平信號的接收（即等待信號結束）。在完成24位信號的接收過程后，首先將數組中記錄下來的時間長度轉換為二進制數據，轉換條件為數組單元（下標從0-15）中的值大于等于100（毫秒）時，更新該單元的值為1，否則為0，然后再將數組中的二進制數據轉換為10進制數據存儲至內存中等待上傳。

1.2 溫度數據的采集功能

系統中為實現溫度數據采集功能所選用的傳感器模塊為DHT11，在本項目中，主要使用DHT11傳感器的3個引腳：Pin1（供電輸入），Pin2（接地），Pin3（信號輸出）。DHT11與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表2所示。

表2 DHT11線路連接方式

DHT11發送的是一組由高低電平脈沖信號描述的24位二進制數據，其中高8位為校驗值，第16位為溫度數據且最高位為正負值標識。溫度信號的處理通過對高低電平變化的檢測來完成，首先將高電平信號時長以1或0的形式存儲至數組中，然后再將二進制數據轉換為10進制數據并根據第16位的數值設置其正負。

1.3 濕度數據的采集功能

本系統選用的濕度采集傳感器模塊為DHT12，該設備屬于感濕電阻式濕度傳感器，具有很高的可靠性與穩定性。在本項目中，主要使用DHT12傳感器的3個引腳：Pin1（供電輸入），Pin2（信號輸出），Pin3（接地）。DHT12與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表3所示。

表3 DHT12線路連接方式

DHT12發送的是一組由高低電平脈沖信號描述的24位二進制數據，其中高8位為校驗值，第16位為濕度數據，RasPberry Pi 3B+對信號的處理過程與上文中的二氧化碳數據處理過程相同。

1.4 氧氣濃度數據的采集功能

系統為實現氧氣濃度數據采集功能所選用的傳感器模塊為4OCV，該設備屬于固態電解質傳感器。在本項目中，主要使用4OCV傳感器的3個引腳：Pin2（供電輸入），Pin3（接地），Pin8（信號輸出）。4OCV輸出的信號為80位二進制數據，其中第49至64位為檢測值，第41至48位為檢測氣體當量，溫度信號的處理通過對高低電平變化的檢測來完成，首先需要將檢測值與氣體當量分別進行電平分析獲取二進制數據，然后還要通過兩次進制轉換分別將數值第49至64位以及第41至48位的監測數值與氣體當量數據轉換為10進制數據，并對它們進行除法運算來獲得氧氣濃度值結果。

1.5 數據的上傳功能

Python語言中的數據庫訪問接口為Python DB-API，該接口提供了一系列數據庫模塊及訪問對象，為開發人員從不同種類的數據庫的存取信息提供了良好的支持[2]。對于MySQL數據庫，Python DB-API中與之對應的是MySQLdb模塊，該模塊基于MySQL C API建立，在使用之前需要在RasPberry Pi3B+平臺的Linux系統中下載并安裝此模塊。

其中數據庫的連接建立需要使用MySQLdb對象的connect方法，而游標的建立則使用數據庫連接對象的cursor方法，最后通過游標對象的execute方法來執行SQL命令字符串。此外，在服務器端接收數據時，我們將服務器MySQL數據庫的網絡端口號由默認的3306修改設置為23961，以盡量避免服務器受到網絡攻擊。

2 結語

本文基于現代農業管理企業在當前溫室大棚管理工作中的現實需求與未來發展規劃，設計了一套能夠自動實現對溫室內部空氣環境進行實時監測的硬件設備組建方案，為提農業生產管理工作效率、提高農作物產量、降低運營成本等方面提供準確的數據支持。

[1]趙建軍.基于RasPberry Pi的傳感器開發[J].山西電子技術，2017，6(1)：122-124.

[2]李一凡.樹莓派平臺在物聯網系統開發中的應用研究[J].閩江學院學報，2018，1(2)：57-59.