基于云平臺的溫室大棚環境數據采集與控制系統研究

楊青青,秦 芹,鞏倩倩,王 巖,趙 倩

(保定學院,河北 保定 071000)

0 引言

溫室大棚對農作物生長起著決定性作用。大棚不僅可以抵抗自然災害,防寒保溫,抗旱、澇,還能提早栽培,延后栽培,延長作物的生長期,達到早熟、晚熟、增產穩產的目的,具有重要的使用價值[1]。不同的農作物在溫室大棚生長過程中,對光照、土壤濕度等因素要求不同,溫室大棚內適宜的生長環境能夠促進農作物產量的提高。本文結合傳感器技術,嵌入式技術,計算機軟硬件技術,對溫室大棚環境內數據(空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度、CO2等)進行實時監測,用戶只需要在手機上便可實時查詢溫室大棚內的環境參數,并根據實際情況進行相應設備的控制,達到蔬菜最適生長環境。本系統開發成本低,簡單易操作,具有非常重要的實用價值。

1 系統總體設計

本系統在溫室大棚內部署多個光照傳感器、空氣溫度、濕度、土壤濕度傳感器、CO2傳感器等采集環境參數,采集的數據通過無線通信技術,將數據上傳至云平臺,并調用相應的API函數從云平臺中獲取數據,通過微信小程序實現對溫室大棚環境的實時監測及控制[3-4]。總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計

2 系統硬件設計

2.1 核心模塊

本系統采用Arduino UNO為系統主控板[2],通過外接各種傳感器來感應溫室大棚環境信息,Arduino UNO主控芯片是ATmega328,它有14個數字輸入/輸出引腳、1個晶體振蕩器(16 MHz)、1個DC口、1個USB接口、1個復位按鈕、1個ICSP接口,可以用電池或AC-DC適配器供電。操作簡單,自由度大,價格合適。

2.2 溫濕度傳感器

溫度和濕度是影響農作物正常生長的重要因素。作為溫室大棚,要隨時能夠了解空氣的溫濕度。適合的溫度,適當的空氣濕度,能夠保證作物順利開展各項生長環節。本系統采用DHT11傳感器采集溫室大棚的空氣溫濕度值,可以根據作物生長過程的不同階段,自動調節空氣溫濕度,提供作物該階段最優的生長需求方案,保證作物高質量生長。DHT11工作電壓為5 V、濕度精度為±5% RH、溫度精度為±2 ℃,內置NTC測溫元件和電阻式測濕元件,采用4針單排引腳封裝模式,與主控開發板之間連接便捷。DHT11傳感器具有體積小、響應速度快、質量可靠、功耗較低等特點。

2.3 光照傳感器

不同的農作物對光照的需求是不同的,作為溫室大棚,在不同的季節、不同的時段、不同的地形中,所接受到的光照也是有很大差異。因此光照強度的調節,成為最主要最復雜的調節因素。本系統采用GY-302采集溫室大棚的光照度。通過檢測溫室大棚內光照環境,配合LED燈,調節農作物的光合作用。GY-302傳感器內置BH1750芯片,其工作電壓為3~5 V、通信方式采用I2C。

2.4 二氧化碳傳感器

溫室大棚CO2濃度過多或過少都會直接影響農作物的生長,過多則影響光合作用及呼吸代謝的正常進行,過少則導致產量下降、品質降低。由于溫室大棚處于密閉環境,濃度與自然環境有所差別,一般情況下,溫室大棚CO2濃度夜間積累量僅有500~700 g/m3,日出后1~1.5 h內濃度會急劇下降,上午9點降到300 g/m3,上午11點左右降到150 g/m3,出現CO2饑餓,需要通風,達到增產的目的。本系統采用SGP30傳感器采集溫室大棚內農作物的SGP30濃度,供電電壓為3.3 V,使用I2C接口進行數據采集。

2.5 土壤濕度傳感器

土壤是農作物生長的一切營養的主要來源。土壤的溫濕度直接影響農作物對各種生長所需元素的吸收狀況,尤其是濕度。土壤的濕度要求要隨時傳遞到數據中心,以便及時進行調整。合適的濕度能夠讓作物及時獲取各個階段所需要的營養物質,從而到達優質優產的目的。

本系統采用電容式土壤濕度傳感器來采集溫室大棚農作物的土壤濕度。傳感器以農作物土質的介電常數為輸出指標,農作物土壤的水分含量能夠測量出來。當土壤濕度傳感器的探頭未插入土壤時,三極管基極處于開路狀態,輸出數值0;當插入土壤時,三極管的基極產生導通電流。因此集電極到發射極的導通電流受到基極控制,經過發射極的下拉電阻后就會轉換成電壓。

3 軟件系統設計

上位機采用微信小程序實現,界面能夠實時顯示空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等參數。輸入正確的ID和產品APIKEY,進入登錄界面后,調用相應的API函數,請求方式采用GET方法,從云平臺獲取數據信息(溫濕度、光照度、土壤濕度、CO2濃度)。調用相應的API函數,通過POST方法下發命令,能控制下位機發出指定動作(燈開關、控制風扇開關、控制水泵開關)使環境趨于正常值。微信小程序界面,如圖2所示。

圖2 微信小程序界面

4 系統測試

表1是溫室大棚一段時間內監測的空氣溫度、空氣濕度、光照度、CO2濃度、土壤濕度值以及上位機控制風扇、燈光、水泵等狀態。可證明系統能夠將采集的數據實時上傳至微信小程序,并能實現控制功能,系統能夠穩定運行。

表1 采集數據值

5 結語

本文在溫室大棚部署多個傳感器(光照傳感器、空氣溫度、濕度、CO2傳感器、土壤濕度傳感器)采集環境參數,通過微信小程序實現對溫室大棚環境的實時監測及控制。通過調測系統采集的數據使其符合植物生長的要求。在未來農業生產模式的探索中,本系統提供了技術方案使農業智能化成為可能。