基于Arduino的智能溫室大棚環境監測控制系統設計

彭懷濤 彭奇威 邢靖 張瑞雪 許建國

摘要： 物聯網和傳感器技術的迅速發展，為改造傳統農業帶來了許多便利。本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環境監測控制系統設計方案，該系統以Arduino開發板為核心，通過溫濕度傳感器、光照強度傳感器等實現大棚內環境參數的采集，用戶可以通過Web端實現溫室大棚的實時監控和智能控制。系統運行結果表明，方案切實可行，具有一定的實用價值。

關鍵詞： 溫室大棚;環境監測;Arduino

基金：長江大學工程技術學院2019年大學生創新創業訓練計劃項目（S201913245011）

前言

中國作為一個農業大國，就整體情況而言，我國的農業勞作無論是從規模，還是技術上都存在著明顯的不足。大多數溫室大棚智能化程度較低，對大棚內部環境的控制上，依然采取人為手動控制，費時費力，而且無法做到對大棚內部環境的及時監控與調節。因此，本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環境監測控制系統設計方案，用來檢測溫室大棚中溫度、濕度、光照強度等環境參數，通過智能控制補光燈、澆水器、加熱器等設備來調節溫室內部環境，為植物提供更好的生存環境，可以有效的節省人力物力，提高農作物的產量和質量。

系統功能設計

系統硬件設計

系統硬件由Arduino主控模塊、GPRS通信模塊、數據采集模塊、功能控制模塊等組成。其中GPRS通信模塊選用低功耗的SIM800A;數據采集模塊包括DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器;功能控制模塊由澆水器、加熱器、加濕器、補光燈、排氣扇、繼電器等組成。系統設計框圖如圖1所示。

硬件各模塊功能介紹如下：

主控模塊

采用Arduino UNO模塊作為主控模塊，通過引腳輸出高低電平的方式去控制其他模塊。Arduino模塊帶有一個微控制器，用戶可以將編寫的程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器中。與電腦的USB接口相連，通過Arduino開發工具的串口監視器來查看引腳的狀態。Arduino帶有多個模擬信號引腳和數字信號引腳，可以通過引腳連接傳感器和繼電器等多個模塊。

數據采集模塊

采用了DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器，YL-69土壤濕度傳感器等傳感器。DHT11連接Arduino上的模擬信號引腳，BH1750、YL-69連接Arduino的數字信號引腳。當系統上電后，傳感器會自動將采集的16進制數據傳輸給Arduino模塊。

通信模塊

使用SIM800A，通過與Arduino主控模塊上的TX，RX引腳相連，來實現數據傳輸。Arduino以報文的形式，將采集到的數據打包成JSON格式，然后傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊把數據發送到服務器。客戶端的響應信息由GPRS模塊傳回給Arduino主控模塊。

功能實現模塊

采用現有的補光、澆水等設備，使用繼電器作為設備的總開關，通過改變Arduino上相關引腳的高低電平去實現控制。每個引腳都設定一個指令，通過反饋的指令信息去改變相關引腳的電平，從而實現一對一的控制功能。

系統軟件設計

本系統軟件由SSM框架結合HTML5前端技術設計而成。系統后端程序采用Java語言編寫，程序的Mapper和Service層實現數據的存儲和業務邏輯，由前端控制器DispatcherServlet實現Web端和服務器之間的數據交互。在視圖渲染上采用了響應式開發技術，適用于手機端和PC端。用戶可以通過Web端查詢大棚內部環境參數，若環境參數出現異常，用戶可以通過Web端手動控制溫室大棚的澆水器、排氣扇、加熱器等設備來進行調節，實現溫室大棚的智能化和遠程管理。

系統運行原理

本系統主要以Arduino為控制主板，通過連接溫度、濕度、光照強傳感器等其他設備來實現對大棚內環境參數的采集。Arduino通過連接SIM800A的GPRS遠程通信模塊，將數據傳送至服務器，再由后端程序將數據解析并保存在數據庫中。用戶可以通過Web網頁發送指令到服務器，服務器再將指令通過TCP通道傳輸給GPRS通信模塊.每條指令分別控制著一個繼電器，每個繼電器對應一種控制功能。

系統測試

首先，將程序打包上傳到遠程服務器上，模擬用戶進行注冊登錄，再打開相應頁面，進行功能測試。為了方便用戶便于查看，將解析后的數據渲染成JSP頁面，以折線圖的形式展示給用戶，如下圖圖2所示（由于篇幅有限，僅給出溫度圖）。

結語

本文提出了一套基于Arduino的智能溫室大棚環境監測控制系統設計方案，該系統由Arduino主控模塊、數據采集模塊、GPRS通信模塊、功能控制模塊構成，使用溫濕度傳感器、光照強度傳感器等實現大棚內環境參數的采集，用戶可以通過Web端實現溫室大棚的實時監控和智能控制。系統運行結果表明，方案切實可行，具有一定的實用價值。

參考文獻

劉亞偉.基于物聯網技術的智能溫室大棚控制系統研究[D].長春工業大學，2018.

江杰，岳云東.智能溫室大棚控制系統設計[J].自動化應用，2018（01）：33–35.