基于物聯網的智能蔬菜大棚遠程控制系統研究

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。但是傳統的蔬菜大棚存在以下問題：大棚室內數據需人工查看，人工補充，自動化程度低;一套蔬菜大棚智能控制系統價格昂貴，成本高，不利于大面積使用;對多個大棚監控不足，不方便集中管理等等。為解決上述問題，研究了一種基于物聯網的蔬菜大棚遠程控制系統，對溫濕度、光強等數據實時采集的同時，將數據通過ZigBee無線傳輸技術發送到機智云平臺，用戶在平臺上可用PC端或安卓手機APP設置自動監控或手動監控，對大棚室內環境進行補償。經實驗證明，本系統的設計實現了遠程對蔬菜大棚室內環境數據的采集、處理、補償、顯示，可滿足農業上對蔬菜大棚的自動化監控要求，并具有性價比高、方便集中式監控的特點。

關鍵詞：物聯網;Zig Bee;ARM;傳感器;蔬菜大棚

隨著社會的變遷，我國農業發展已從原有的單純追求質量變為追求優產、優質、高效。智能化大棚的出現使人們開始重視農業科技。由于種植環境中的溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環境因子對作物生長有很大的影響，通過蔬菜大棚為作物創造一個可控的種植環境雖然可以提高作物產量，但如果沒有大棚環境遠程監控系統的應用，蔬菜大棚的管理成本和設施成本都相當高，而且人工管理始終不如智能管理方便和精準。

綜上分析，由于我國農村的蔬菜大棚還是處于欠發展狀態，我國有蔬菜大棚歷史的農村，迫切需要一套遠程蔬菜大棚控制系統，為此本項目研究了一套基于物聯網的蔬菜大棚遠程控制系統，對蔬菜大棚的環境做一個有效的管理以達到更高的經濟效益。

1 總體方案設計

本系統致力于我國農村蔬菜大棚研究，通過對國內國外資料的搜集與研究，針對蔬菜大棚發展的實際情況，確定系統的組成模塊，然后對電路控制系統進行設計與制作。整個系統示意圖如圖1所示。

本設計采用的是扇形設計，這樣方便卷簾收放，可以達到很好的散熱與補光效果，由ARM控制整個系統的運作，通過物聯網實現數據發送與接收，蔬菜大棚室內數據經過云端服務器發送到用戶終端（手機APP），用戶實時監控蔬菜大棚室內環境，維持蔬菜大棚室內生長所需要的環境。

系統各模塊功能如下：

（1）使用溫度傳感器，濕度傳感器，CO2濃度傳感器，光強傳感器，pH傳感器等傳感器搜集數據，向控制中心傳達信息，以保證大棚室內環境質量。

（2）使用TFT-LCD液晶屏顯示環境數據，使用太陽能與蓄電池一起進行系統供電，進行實時數據顯示與系統供能。

（3）使用ARM作為控制核心，對采集的數據進行處理，使執行系統的卷簾機，風機，灌溉系統，二氧化碳補償器等能進行自動起、停或定時開啟，進行各項數據的補充與縮減。

（4）借助機智云服務平臺實現產品手機APP的開發及數據點的接入與設置。用戶通過安卓手機APP遠程發送命令使系統進行工作，實現遠程人機交互。

2 系統硬件設計

本系統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數據采集電路、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，來檢測環境參數。執行器件包括風機、卷簾、灌溉水泵、補光燈等。圖2為總體硬件設計圖。

3 系統軟件設計

除了硬件設計，本項目還需要進行軟件設計，才能實現蔬菜大棚遠程控制與聯網等功能。本項目是通過ZigBee網絡來進行一個整體的網絡連接，通過集中循環采集傳感器數據，然后實時遠程發送數據給主控進行數據處理，經過處理后的數據經過與蔬菜生長需求環境數據相比較，如果數據相差大就自動進行執行裝置的補償，也可進行人工調整，不斷檢測不斷的補償，使大棚內環境數據達到一個穩態平衡。系統軟件設計的主要結構框圖如圖3。

本系統采集的傳感器數據匯集到CC2530，再由CC2530發送到STM32F-103ZET6單片機，把采集到的數據在LCD液晶屏上現場顯示，單片機再與ESP8266Wi-Fi模塊進行通訊，ESP8266Wi-Fi與路由器網絡連接，進而連接互聯網，用戶就可以實時通過互聯網訪問機智云平臺進行監控，進而實現遠程控制。主控程序控制流程圖如圖4。

4 驗證

本系統以適宜大白菜生長環境為例，控制蔬菜大棚環境參數，生長溫度范圍是15±10°C，光照需求為中等強度，光合補償點為1500Lx（25umol/m2·s），光飽和點為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。通過對整個系統的搭建，進行執行裝置的動態調控，蔬菜大棚室內環境能穩定在適合大白菜生長的環境范圍內。

在機智云平臺經過注冊登錄、選擇技術方案以及創建產品之后，平臺會對應的生成手機APP。經過手機APP上的環境參數調控，蔬菜大棚內的執行裝置會進行相應的參數補償，維持蔬菜大棚內的適合當前農作物的生長環境。手機APP界面圖如圖5所示。

5 結語

經試驗證明，本系統設計合理，功能性較強，系統工作整體穩定，較好地達到了設計目標。手機APP設置界面友好，操作簡單，能較好地控制蔬菜大棚內的溫濕度、光強、二氧化碳等環境參數。同時本系統還可以外接其他設備，未來可以在此基礎上進行完善，如自動化施肥、除草等，通過更快更密集的無線網絡進行補充控制、采用更為復雜的手機終端管理等等。

參考文獻：

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作者簡介：韋明崢（1996—），男，壯族，廣西來賓人，本科，研究方向：自動控制;凌加平（1996—），男，壯族，廣西隆安人，本科，研究方向：測控技術與儀器;周俊男（1996—），男，壯族，廣西恭城人，本科，研究方向：軌道交通信號與控制;李克儉（1962—），女，漢族，湖北武漢人，本科，教授，研究方向：過程控制及自動化裝置;田敬北（1975—），男，壯族，廣西上林人，碩士，高級實驗師，研究方向：信號與信息處理及電子技術方面。