基于物聯網的溫室大棚環境監控系統

范 闖，趙安琪，昝玉呈，張 雨

（南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188）

互聯網在溫室中的應用有了一定進展，也存在部分問題。首先，作為自組織網絡和信息技術的農業物聯網的傳播并不完善，因此，有必要加強農業科技集成平臺的建設。其次，由于物聯網的普遍性，農業聯網的通信協議不統一，各自的農業物聯網也引入了各自的通信協議，這將給動物網絡在農業中的應用帶來困難。為了解決通信協議與農業物聯網標準不一致的問題，本文以溫室物聯網為研究對象，用于實時采集數據溫室環境信息，根據需要實時控制，數據分析、整理和集成，以及災害預測。

1 總體設計

設計的溫室監測系統主要由功能驅動、人機界面、智能傳感器等組成，如圖1所示。各功能模塊協同采集和調整影響溫室作物生長的各種參數。此外，系統還可以將收集到的致動器參數和狀態信息發送到網頁和移動客戶端進行遠程監控。

圖1 系統總體設計

1.1 溫室大棚智能感知器

智能傳感器以中國科技控制芯片為核心，通過溫室環境的多點布置，實現對氣溫、濕度、土壤濕度和光強的實時采集。

系統中使用的DHT11溫濕度傳感器采用單總線協議，便于多點布置，溫室監控系統長時間運行后，主控面板的溫度會逐漸升高，直接放置在主控面板上的溫度傳感器的測試值較高，導致與后續分析和控制的偏差。CS32F103芯片配備有溫度傳感器。如果芯片內部溫度過高，則對板溫度傳感器進行補償，以減少主設備溫度升高的影響。

式中，To為出口溫度；Ti是傳感器的采樣溫度；Tc是芯片溫度；Tt為溫度補償閾值；ρ是溫度補償系數。

系統中使用的土壤水分傳感器FC-28根據土壤水分含量與其電導率正相關的原理檢測土壤水分。在實際應用中，水分采樣值有時會出現較大的峰谷偏差。由于水分檢測有一定的時間延遲，為了避免脈沖干擾，采用了介質濾波的方法，即抑制最大值和最小值，并在連續采樣后獲得平均值，濾波公式為

式中，Mo為輸出土壤濕度；Mi為連續采樣濕度；n為采樣次數。

1.2 溫室大棚功能執行器

基于中國科技基礎控制芯片，功能執行器顯示傳感器采集的信息是否超過4個發光二極管設定的閾值，排氣扇、水泵、報警蜂鳴器的執行控制，加油燈等設備通過傳感器連接和繼電器控制實現。

1.3 人機交互界面

人機界面顯示裝置采用I2C總線通信方式的OLED，輸入裝置為五路開關按鍵，存儲裝置為AT24C02芯片，無功耗，用戶可通過按鍵組合和屏幕改變每組控制參數的閾值，并實時查看傳感器數據。調整后的閾值存儲在AT24C02芯片中，并在系統重新啟動后生效。

1.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊協議為HTTP協議。下載的數據必須包括每個參與者的溫度、濕度、光照強度和控制信息。用戶可以通過參考客戶的網站和數據組來檢查溫室氣體的狀態。

公交車駛了過去，夏冰臉上還留著一絲冷笑。他突然站起來，推開窗，把頭伸出去，學著電影《泰坦尼克號》中杰克的樣子，重重地對著大街吐了一口痰，旁若無人地喊道：“我胡漢三又回來啦！”車內不少人厭惡地看著他，但見他油亮的光頭和這一身打扮、這一副表情，猜出他從哪里來，都不約而同地把目光小心地滑開，或專注于窗外的景色——其實什么景色也沒有，或與身邊的陌生人攀談起來——仿佛老友相見熱情有加，也有閉目養神的——只是，眼皮不動聲色地一張一閉，注意力還在夏冰身上。

2 系統的硬件設計

系統控制器采用CS32f103c8t6，最大工作頻率72 MHz內置64 KB閃存和豐富的外圍資源，選用B1750FVI芯片獲取光強，該芯片具有分辨率高、光強變化范圍廣的優點。土壤濕度采樣基于LM393芯片設計。土壤濕度探頭的電阻可轉換為電壓輸入。該芯片可用于測量土壤濕度，比較電壓可通過電位器調節，并可產生數字量。

溫室監控系統包括功率電平穩定器、繼電器控制模塊、按鍵輸入模塊、不同傳感器模塊、OLED顯示模塊、網絡傳輸模塊、CS32F103控制單元、LED指示模塊；每個部分如圖2所示連接。

圖2 系統硬件組成

根據使用要求，該系統采用低體積、低成本、低功耗的芯片，簡化了系統設計，降低了安裝和維護成本。

溫室系統的目標是更好地檢測溫室植物的生長因子。如圖3所示。

圖3 溫室系統總體思路及構建示意圖

3 系統的程序設計

溫室環境監測方案主要包括人機交互方案、物聯網數據傳輸方案、系統控制方案等。

3.1 人機交互程序設計

人機交互程序設計流程如圖4所示。人機界面根據功能分為3個屏幕界面：主閾值選擇界面和數據顯示界面等。

圖4 人機交互程序設計流程圖

即輸入4個閾值參數：濕度、空氣溫度和光照強度等。按功能鍵時，系統根據當前界面屬性處理鍵信息，并執行不同的功能。主界面切換到所選陣列的支持閾值設置界面和傳感器數據顯示屏。在輔助界面中，用戶可以通過5個鍵更改閾值參數，并將其存儲在AT24C02芯片上。數據顯示屏顯示上述4個傳感器數據，并通過按鍵更新信息。

3.2 物聯網數據傳輸程序設計

該對象的網絡數據傳輸是基于esp8266網絡平臺和中國移動OneNet對象構建的，編程流程如圖5所示。

圖5 流量設計程序數據網絡傳輸

首先，系統通過USART模塊將芯片c32f103c8發送至esp8266模塊，完成硬件初始化和WLAN網絡接入，然后設計溫室監測外部接口，包括web客戶端和移動客戶端。最后，單網絡數據傳輸系統根據傳感器數據和當前設備狀態生成數據包，并基于HTTP網絡協議將數據包上傳到單網絡平臺。

系統以HTTP協議以post方式將數據流上傳到設備云，每個傳感器的標識和樣本值。為Internet平臺上的設備創建程序，查看儀表板接收到的每組數據點和線圖，并完成系統Internet界面的創建。

溫室環境監測不需要及時進行，在調試階段，每個周期的數據傳輸時間為5 s，便于檢查傳輸的數據是否正常，以下應用程序可以延長反應能力。

3.3 系統控制程序設計

當監控系統啟動時，收集傳感器數據以完成執行器控制。編程過程如圖6所示。

圖6 系統控制程序設計流程圖

預處理后，傳感器采集的數據，如土壤濕度、空氣溫度和光照強度。

系統的總體流程可概括為按鍵掃描和信息處理、顯示界面更新、數據采集和執行控制、數據傳輸。

4 系統的實驗結果

通過電路連接和編程，建立了一個簡單的溫室模型，在模型中安裝了監控系統，完成了程序調試和功能再現。

測試方法：檢查人機界面采集的實時數據，通過按鍵操作改變閾值參數，關閉電源系統重啟系統，確定參數是否有效通過環保措施和閾值變化驗證指示燈與控制設備的正確運行登錄到移動客戶端和操作平臺，檢查數據傳輸是否正常。

人機交互測試流程如圖7所示，閾值選擇的主屏幕如圖7（a）所示，設置組濕度閾值的輔助界面如圖7（b）所示，傳感器數據屏幕上的圖像如圖7（c）所示。測試結束后，數據采集正常。傳感器記錄和實際測量結果表明，土壤水分測量的準確性不明確，具體見表1。

表1 各項參數檢測精度

圖7 人機交互測試界面

圖8示出了網絡傳輸接口。4個傳感器數據記錄在界面左側，包括空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強度。右側重新顯示了4組控制面板包括：高溫警報、風扇、壓力水泵和補光開關。測試后，記錄設備功能正常，數據傳輸正常。

圖8 溫室大棚環境監測網頁界面

5 結束語

基于物聯網的溫室環境監測系統，可以采集溫室環境參數，控制植物生長的控制輔助設備，通過網頁和移動客戶端實現對溫室的遠程監測，具有成本低、安全可靠等優點，操作方便，該系統可以在多階段數據監測、遠程控制和決策等方面進一步完善和擴展，借助神經網絡，為農業活動的智能自動控制創造更好的保障。