基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

李添河 吳敏

摘要：本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的、采用STM32微控制器設(shè)計(jì)的智能大棚，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集分析溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)后，主控制板通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，用戶(hù)就可以直接通過(guò)PC機(jī)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)操作或者系統(tǒng)自動(dòng)判斷并進(jìn)行調(diào)整，使大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度符合作物生長(zhǎng)所需，用戶(hù)還可通過(guò)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控觀察大棚內(nèi)情況。

關(guān)鍵詞：STM32F103RCT6;物聯(lián)網(wǎng);智能大棚;以太網(wǎng)

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)大棚種植為提高人們的生活水平帶來(lái)極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求，目前國(guó)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見(jiàn)，而引進(jìn)國(guó)外具有多功能的大型連棟溫室監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴，不適合國(guó)情。

針對(duì)目前大棚發(fā)展的趨勢(shì)，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

1.系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的方式，將主控板、傳感器、PC機(jī)進(jìn)行有效的連接，從而達(dá)到對(duì)大棚智能監(jiān)控的目的。整個(gè)系統(tǒng)在降低投資的基礎(chǔ)上，減少人力資本，完成蔬菜大棚的增值創(chuàng)收。

模塊1：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的基本要求，通過(guò)以太網(wǎng)控制器可將主控板上采集分析的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)絇C機(jī)上。

模塊2：傳感器

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，由于成本問(wèn)題，未添加二氧化碳傳感器。

模塊3：PC端遠(yuǎn)程控制

PC機(jī)可通過(guò)無(wú)線連接到主控板所發(fā)送的數(shù)據(jù)，用戶(hù)通過(guò)PC機(jī)界面上顯示的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷，進(jìn)行大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可在PC機(jī)上監(jiān)測(cè)到大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)影像。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該智能大棚控制系統(tǒng)以 32 位 ARM 為主控制器，通過(guò)溫度、濕度、光敏傳感器，對(duì)大棚內(nèi)外的溫度、濕度、光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，把信號(hào)送往 MCU 進(jìn)行處理。在 CPU 內(nèi)部 Flash 存有一個(gè)小型的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)對(duì)傳感器采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比，最終做出決策，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出指令，控制大棚內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)、采光、自動(dòng)澆灌等子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作;或根據(jù) LCD 上顯示的信息，通過(guò)PC端采取干預(yù)性的發(fā)出控制指令，從而達(dá)到控制大棚內(nèi)部環(huán)境，便于農(nóng)作物的生長(zhǎng)的目的。

控制的詳細(xì)指標(biāo)分別為：

（1）大棚內(nèi)的溫度基本保持在 20～26℃;

（2）光強(qiáng)基本保持在 6～12 格的范圍之內(nèi);

（3）濕度基本保持在 35%～65%。

2.1基本結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該智能大棚采用 STM32F103RCT6 為主控制器，用來(lái)總體協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)部 A/D 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)比較，根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、溫度調(diào)節(jié)、自動(dòng)澆灌子系統(tǒng)，來(lái)改變大棚內(nèi)部的環(huán)境指數(shù)。同時(shí)，還可利用 STM32F103RCT6來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶屏，實(shí)時(shí)地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)采用一塊 DHT11溫度傳感器，來(lái)采集大棚內(nèi)外的溫度、濕度值。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示：

2.2主控板

采用STM32F103RCT6為核心的主控芯片，組成項(xiàng)目所需主控電路.

2.3以太網(wǎng)模塊

ENC28J60 是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有 SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。通過(guò)該模塊，可將數(shù)據(jù)由主控制板上傳到PC機(jī)，用戶(hù)就可以直接通過(guò)PC機(jī)來(lái)控制棚內(nèi)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4傳感器

DHT11：一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè) NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。通過(guò)單片機(jī)等微處理器簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)的采集本地濕度和溫度。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù) 40Bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

該傳感器用于檢測(cè)棚內(nèi)的溫濕度，當(dāng)棚內(nèi)的溫濕度不在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)主控制板就會(huì)通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，用戶(hù)就可以直接通過(guò)PC機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)溫濕度情況，并控制棚內(nèi)電機(jī)，使其運(yùn)行，以達(dá)到滿足作物生長(zhǎng)條件的目的。

光照強(qiáng)度傳感器：光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。本項(xiàng)目中我本采用了光敏電阻傳感器，可以檢測(cè)周?chē)h(huán)境的亮度和光照，具有靈敏度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，其工作電壓為3.3V。該傳感器用于檢測(cè)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度，當(dāng)棚內(nèi)光照強(qiáng)度不足時(shí)，補(bǔ)光燈會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，進(jìn)行補(bǔ)光，滿足大棚內(nèi)農(nóng)作物光合作用是對(duì)光照的要求。

2.5電機(jī)及補(bǔ)光燈驅(qū)動(dòng)模塊

在項(xiàng)目模型中，采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)和補(bǔ)光燈，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)、PWM脈寬平滑調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)模塊采用了兩塊L298N芯片，可對(duì)三臺(tái)電機(jī)和補(bǔ)光燈進(jìn)行控制.

2.6電源模塊

電源模塊是任何裝置都不可缺少的一部分，由于參與本設(shè)計(jì)的模塊眾多，我們制作了AC-DC converter 交直流轉(zhuǎn)換電源模塊，可輸出+24/+15V/-15V/+5V電壓，并采用一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器AMS117-3.3，獲得+3.3V電壓.

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該智能大棚的軟件系統(tǒng)，通過(guò)主程序調(diào)用多種中斷子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括定時(shí)器中斷、A/D 中斷和端口中斷。主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘、鍵盤(pán)中斷、液晶屏、內(nèi)部 AD、定時(shí)器 A B、IIC 及各種參數(shù)設(shè)置的初始化。項(xiàng)目系統(tǒng)軟件框架如下圖所示：

4.系統(tǒng)創(chuàng)新

（1）使用獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)穩(wěn)定、傳輸速率快;

（2）開(kāi)發(fā)系統(tǒng)成本低、功能強(qiáng);

（3）使用基于 Internet 的物聯(lián)網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確而專(zhuān)業(yè)的蔬菜管理，放寬了菜農(nóng)的蔬菜種植水平

5.結(jié)論

本智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組件之間的通信，使數(shù)據(jù)檢測(cè)從機(jī)具備極高的安裝和操控靈活性。同時(shí)通過(guò)對(duì)云服務(wù)器的使用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的備份和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)采集和上傳更新穩(wěn)定，可以滿足農(nóng)業(yè)大棚所需的基礎(chǔ)智能監(jiān)控功能。

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注：大創(chuàng)項(xiàng)目編號(hào)：CXXL2019241