基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計

閆浩然，張賀龍，王建強，2

(1.河北水利電力學(xué)院 自動化與通信工程學(xué)院，河北 滄州 061000；2.河北省高校水利自動化與信息化應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 滄州 061001)

0 引言

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)在智能大棚方面的應(yīng)用多集中于操控單一農(nóng)作物的溫室大棚，且多為復(fù)雜的大型系統(tǒng)，成本高昂。而該方面的研究投入對于有更高要求的多種農(nóng)作物栽培的智能溫室來說目前相對不足。傳統(tǒng)的多農(nóng)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚往往面臨監(jiān)管不當(dāng)，沒有及時的澆水施肥，跟不上農(nóng)作物的生長需求等多種問題；為了開發(fā)更加靈活適應(yīng)多農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)大棚，設(shè)計了具有觸摸屏操控，手機APP檢測的智控大棚，其具有全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)控，保障作物生長的各項所需，自動化操作，提高農(nóng)業(yè)的效益和競爭力；智控大棚結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、多元化結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)靈活種植的功能，在同一片區(qū)域，根據(jù)不同農(nóng)作物的土壤需求改變參數(shù)，兼具選擇性和適應(yīng)性。該項目在調(diào)研河北省普通農(nóng)戶種植大棚情況的基礎(chǔ)上，重點研究智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大棚中不同農(nóng)作物的種植應(yīng)用，并考慮其擴展性。將智能控制應(yīng)用于溫濕度控制、施肥噴藥、自動卷簾等工序。設(shè)計小型智能控制系統(tǒng)，重點研究其靈活性、可移植性、擴展性并最大程度降低成本。通過無線傳感技術(shù)構(gòu)建溫室大棚的數(shù)據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用WiFi、紅外等通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備、觸摸屏、手機之間的實時數(shù)據(jù)交互。通過智能設(shè)備的接入，由手機端通過相應(yīng)的小程序或者APP進行操控，從而方便、快捷、經(jīng)濟地實現(xiàn)小型溫室和微型溫室的智能控制。

1 大棚控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 大棚控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)硬件包括檢測模塊，主控單片機使用arduino mega2560板，采用modbus485通信模塊和ESP8266WiFi無數(shù)據(jù)線傳輸，并由觸摸屏及終端控制外設(shè)配套繼電器控制設(shè)備等構(gòu)成。

1.1 檢測模塊

檢測模塊由液位高度感應(yīng)器、溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光強傳感器、激光紅外復(fù)合型的發(fā)送與接收器、氣體臨界值二氧化碳含量感應(yīng)器和液位高度感應(yīng)器構(gòu)成。檢測模塊測量的主要參數(shù)是溫度和濕度、二氧化碳濃度數(shù)值、液位高低等。測量溫濕度的傳感器采用數(shù)字溫濕傳感器DHT11，數(shù)字信號方便直接在單片機上處理加快反應(yīng)的準確性和快速性。

1.1.1 DHT11

數(shù)字型相對溫度濕度感應(yīng)器(DHT11)是一個檢測溫度高低與周圍水分濕潤程度的復(fù)合感應(yīng)器,并帶有校準結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號輸入輸出。擁有可通過獨特的數(shù)碼模塊收集溫濕度數(shù)據(jù)的效果,保證了產(chǎn)品的高可靠度和良好的長久工作穩(wěn)定性。該感應(yīng)器分為電阻型溫度濕度傳感器和NTC量化感應(yīng)器。DHT11的數(shù)據(jù)引腳主要用于微處理器與DHT模組間的通訊與同步。通過單總線數(shù)據(jù)信息格式,每次的通訊時間大約為4 ms，當(dāng)MCU發(fā)送啟動信號和DHT11響應(yīng)信號定時一致時，可進行精確測量。此系統(tǒng)采用數(shù)字口D9接入DHT11數(shù)據(jù)傳輸口，傳感器正極和負極與單片機上的正極和負極一一對應(yīng)，上電的同時數(shù)據(jù)同步采集到單片機中，并通過串口查看所需要的消息，采用的波特率是115 200 Bd。

1.1.2 土壤傳感器

選用的傳感器是LM393芯片的水土溫濕度控制模塊,是一種簡單的水份傳感器，可用來檢測土壤中的含水率,表層鍍鎳而不宜銹蝕,可延長工作壽命,且傳感器產(chǎn)品覆蓋面廣，增加了導(dǎo)電性能。模塊化雙輸入輸出模型,擁有更簡單的數(shù)字輸入輸出和更準確的模擬輸出。本系統(tǒng)使用了LM393芯片,工作平穩(wěn),信號清晰。模塊藍色電位計用于調(diào)整土壤濕度的閾值。如果順時針調(diào)整，受控濕度將增加，反之降低。D0為單片機的數(shù)字口，土壤傳感器三個引腳中的數(shù)據(jù)口和D1連接，傳感器的正負極分別和arduino單片機的正負極相連，此時若需要拓展電源，依然可以用數(shù)字口通過軟件編程實現(xiàn)穩(wěn)定的高電平。當(dāng)土壤溫濕度未超過預(yù)設(shè)閾值時,通過D0端口產(chǎn)生高電平,當(dāng)土壤溫濕度高于預(yù)設(shè)閾值時,通過D0端口產(chǎn)生高低電平有效。而數(shù)字出口的D0可與單片機相連,單片機也可測量高低電平是否有效,從而測量土地溫濕。主板模擬輸出的A0可與AD模塊直接相連,利用AD轉(zhuǎn)換技術(shù)可以得到更精確的土地溫濕數(shù)值。接線如圖2。

圖2 土壤濕度傳感器接線圖

1.1.3 光照傳感器

光照傳感器是一種將照明轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，其輸出數(shù)值測量單位為勒克斯。光是光合效應(yīng)所需要的基本條件，在一定條件下,當(dāng)光照強度增大時,光合作用效率就會提高,而當(dāng)光照強度達到最大時,植株葉片上的空氣洞就會封閉,因此光合作用力度就會降低。所以，使用光線傳感器技術(shù)調(diào)節(jié)光線已成為影響經(jīng)濟作物生產(chǎn)質(zhì)量的主要方式。該系統(tǒng)中采用的arduino單片機與Risy GY-302光照傳感器數(shù)據(jù)傳輸，將ADDR懸空后，正負極和數(shù)據(jù)線相連接，采用模擬信號的輸入時連接arduino上的A0口即可，接線圖如圖3所示。

圖3 光照傳感器接線圖

1.1.4 二氧化碳濃度傳感器

傳感器SGP30用來檢測二氧化碳含量、室內(nèi)空氣質(zhì)量(氨)氣體，SGP30是一個金屬氧化物的氣體感應(yīng)器,在一個芯片上擁有多種感應(yīng)器元素,整合了4個氣體感應(yīng)器元素,并且擁有可完全校準的空氣質(zhì)量輸出信號(MQ系列傳感器對氣體的區(qū)分度有一定的閾值，可以備選)。SGP(30型)是一種數(shù)字傳感器，直接使用I2C接口進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)線為DATA與單片機的數(shù)字口連接，此系統(tǒng)溫度采集采用onewire連接，VPD拉高，NC懸空，C-W接地即可，接線如圖4所示。

圖4 空氣質(zhì)量傳感器接線圖

1.2 主控單片機

ArduInO Mega2560核心主控電路板,擁有54個數(shù)碼I/O通道,適合需要大量輸入輸出設(shè)備接口的設(shè)計；系統(tǒng)采用兩種arduino型號進行設(shè)計，2560提供了強大的I/O接口，而UNO可以降低成本，實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[1]。

1.3 無線聯(lián)網(wǎng)模塊

無線物聯(lián)網(wǎng)模塊采用的是ESP8266，其封裝了大量通信指令，使用Lua腳本為編寫語言。該智控大棚運用無線聯(lián)網(wǎng)模塊，聯(lián)通單片機和云端的接口，進入公網(wǎng)onenet，在單片機接收到DHT11發(fā)來的數(shù)據(jù)后，打包后發(fā)送到上位機，用戶在云端上看到數(shù)據(jù)顯示。而二氧化碳濃度、光照強度等值都可以通過無線聯(lián)網(wǎng)模塊上傳到上位機，該大棚實現(xiàn)了在云端檢測數(shù)據(jù)。該智控大棚不僅需要公網(wǎng)還要局域網(wǎng)的參與控制。

1.4 上位機觸摸屏控制

MCU采集的傳感器數(shù)據(jù)僅暫時存儲于寄存器中。要實現(xiàn)單片機和觸摸屏之間的信號交換,就必須進行單片機和觸摸屏之間的通訊。研究中使用了modbus485通信,由于MCU引腳輸出為TTL級,讀寫插針并不能直接與觸控式通信。因此需要一個TTL-to-RS485輸入輸出電平轉(zhuǎn)換模塊,其RX引腳直接與MCU的TX插針相連。在大棚中對各種參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)動，直接對觸摸屏操作，提高效率[2]。觸摸屏的添加使整個系統(tǒng)更加靈活，操作更加方便簡單，利用總控制板實現(xiàn)通過觸摸屏控制大棚內(nèi)部一切設(shè)備的活動及動作的觸發(fā)，也可采用人為控制。硬件流程圖如圖5。

圖5 系統(tǒng)硬件流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機控制設(shè)計程序、移動端顯示軟件設(shè)計和觸摸屏組態(tài)程序三部分。

2.1 單片機控制

控制系統(tǒng)的工作原理是通過測量模塊將測得的溫度和液位值發(fā)送到核心板上,并保存到特定的寄存器中。觸控式和核心板間的聯(lián)系采用modbus485協(xié)議進行,通過觸控式讀出特定輔助寄存器的監(jiān)控數(shù)據(jù)并即時顯示在觸摸屏上,并通過管理策略改變單片機或微型計算機中相應(yīng)輔助寄存器的數(shù)值，從而實現(xiàn)控制繼電器參數(shù)閾值的目的。繼電器和應(yīng)用系統(tǒng)直接相連,繼電器控制的應(yīng)用系統(tǒng)主要包括控制小型電加熱器中的接觸器及自動泵、電氣控制閥等。單片機控制器程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 程序連接外設(shè)

2.2 觸摸屏通信設(shè)計

觸摸屏通信是整個系統(tǒng)的重要控制觀測單元之一。研究過程使用了MCGS的TPC7062TX7顯示器。MCU測量了各個元件的溫度數(shù)值,然后將其傳送至觸摸屏。觸摸屏通過系統(tǒng)時間確定管理策略,并將控制數(shù)據(jù)傳給MCU的控制繼電器。傳感器將采集的溫度、液位等數(shù)據(jù),臨時保存在MCU寄存器中。用于完成接觸屏設(shè)備和單片機之間的信號交換,使接觸屏讀取設(shè)備的通道和單片機的寄存器相對應(yīng),并設(shè)置為相同的數(shù)據(jù)格式[3]。操作界面如圖7所示。

圖7 組態(tài)觸摸屏界面設(shè)計

為方便控制系統(tǒng)設(shè)計，采用了Arduino MCU中的輔助寄存器/1-/200用作數(shù)據(jù)信息臨時存儲的寄存器,并把觸控屏的數(shù)據(jù)信息格式設(shè)定為四區(qū)雙字節(jié)數(shù)據(jù)讀寫類型,帶有一些數(shù)據(jù)集，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)型設(shè)定

2.3 移動端軟件設(shè)計

軟件顯示和檢測操控，主要是由esp01s提供的數(shù)據(jù)，其主要的芯片是ATMEGA2560-16AU-100TQFP作為載體，用esp8266ex作為傳遞數(shù)據(jù)的主芯片。發(fā)射模塊主要是把溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度打包上傳到上位機，在云端可以檢測到用戶所得的數(shù)據(jù)。上位機方面，在上位機設(shè)置APP的格式，手機軟件即可在界面查看數(shù)據(jù)。控制部分可以利用手機APP在云端控制相應(yīng)地裝備，設(shè)計按鈕觸發(fā)控制繼電器、電機和風(fēng)機。在系統(tǒng)上有一個參數(shù)，是智能控制的一層保障，第二層就是用戶的手機APP控制，只要連上公網(wǎng)，即可實現(xiàn)遠端操控。

軟件開發(fā)是通過Android studio設(shè)計，可通過接受云端數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)圖像化與云端通訊等控制外設(shè)。

3 系統(tǒng)特點

3.1 環(huán)境監(jiān)測

在大棚內(nèi),可實時檢測室內(nèi)空氣、土壤的溫度濕度、光照強度、超臨界二氧化碳含量及土壤酸堿度等植株的生長發(fā)育環(huán)境,進行數(shù)據(jù)上傳、存儲和共享。

3.2 智能調(diào)節(jié)

上傳的實時數(shù)據(jù)達到既定閾值，自動執(zhí)行施肥灌溉、調(diào)溫調(diào)濕、通風(fēng)、遮陽、光照等指令。

3.3 數(shù)據(jù)交互

可通過大棚內(nèi)置液晶屏墻或手機APP查看調(diào)取棚內(nèi)植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，并人為發(fā)送指令進行植物生長環(huán)境調(diào)控(遠端操控)，項目展示如圖9所示。

圖9 APP界面管理

3.4 資源利用

通過太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能進行存儲，實現(xiàn)資源的高效利用。

3.5 方便操作

觸控式顯示器,擁有結(jié)構(gòu)簡單、直觀、圖形清晰、堅固耐用、節(jié)約空間等優(yōu)勢，用戶僅需要通過手指來觸動顯示屏上的相應(yīng)圖標或文字,即可運行系統(tǒng)并且查詢到主機地址位置，實施相應(yīng)的動作指令，因無須鍵盤和鼠標操控,極大地提高了計算機系統(tǒng)的可操作性與安全性,使人機交互變得更加直觀和便于使用，也可手指觸動計算機屏幕上的相應(yīng)按鍵，進入信息頁面。

4 效果分析

傳統(tǒng)的大棚對生產(chǎn)農(nóng)作物效益并不理想,原因主要是對濕度、冷熱、光線、施肥用水等控制精準度不足,而該智能溫室大棚針對上述問題進行優(yōu)化，實現(xiàn)了完全自動化智能管理,并經(jīng)過不同參數(shù)設(shè)計,使智控蔬菜大棚控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈敏性、精準度等都獲得了全面改善,降低了勞動力成本，有效提高了效率。該系統(tǒng)實現(xiàn)了全天候?qū)崟r在線監(jiān)測、操作。同時在大棚中增加觸摸屏現(xiàn)場操作功能，實現(xiàn)了多方式通信。該智控大棚投入少、效率高、操作方便經(jīng)濟實惠，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，非常值得推廣和應(yīng)用。