一種低功耗物聯網智慧大棚控制系統

胡俊杰　徐茵　王新懷等

關鍵詞：低功耗；物聯網；智慧大棚；遠程升級

與世界上農業發達的國家相比，中國的農業科技水平較低，導致在農業人口比例極大的情況下，農業產值不高。作為一個以農業發展為主的國家，傳統農業主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡單的機械設備，農民基本憑經驗種植，導致用于農業生產所消耗的水資源、農藥、化肥等都在飛速增長，但農業產量依然較低。

本系統將物聯網和農業相結合，針對溫室大棚作物的生長過程，實現各類環境參數的實時監測和相關生產流程的智能控制，進而實現農產品的增收。

1 系統設計

1.1 系統組成部分

本系統整體可分為4 部分：①是以STM32L010 芯片為核心的主控系統；②包括溫濕度傳感器HDC1080、光照傳感器OPT3001、監控攝像頭等監測設備和繼電器、電磁閥等控制設備；③是基于物聯網的數據傳輸系統。④是數據分析系統，包括手機APP、大屏終端和服務器。整體系統框架如圖1 所示。

1.2 系統工作過程

采集節點每5 min 喚醒1 次，讀取傳感器數據。若數據正常則將數據存儲在flash中，讓節點掉電，進入低功耗模式并等待定時喚醒；若數據超過報警上下限則將flash中數據通過窄帶物聯網上傳至云端服務器。服務器通過MQTT 協議廣播數據，用戶在手機APP 或者大屏終端上獲取大棚環境參數，數據異常時會自動下發控制命令。控制節點收到后控制水閥和風機的運作，實現大棚環境參數的調整，提高農作物產量。

2 系統功能實現

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節點

MCU 采用STM32L010K8T6， 待機模式下電流0.23 uA， 內部集成模數轉換器（ADC）、通用定時器（GPTIM）等外設。

定時器模塊采用時基芯片TPL5110DDC+ 模擬開關TS5A3160DBV。通過外圍電阻選擇定時時間為5 min，若MCU 采集的傳感器數據正常，則寫入fl ash 并發送高電平控制模擬開關關斷電源。若MCU 采集的傳感器數據異常，則將數據上傳到云端服務器，當收到掉電命令后，再控制模擬開關關斷電源。

2.1.2 溫濕度傳感器

本文采用低功耗的數字溫濕度傳感器HDC1080，該傳感器通過I2C 總線與MCU 進行數據傳輸，能以超低功耗提供出色的測量精度。依照芯片對應的通信時序圖，編寫了基于I2C 通信協議的使用程序。

2.1.3 物聯網模塊

采用中移的物聯網模塊M5311，與MCU 之間通過串口傳輸數據。由于M5311 串口的高電平為1.8 V，MCU 串口的高電平為3.3 V，設計了電平轉換電路。M5311 通過窄帶物聯網登錄OneNet 云平臺后，會將MCU 的數據通過MQTT 協議透傳到云平臺上。

2.1.4 控制節點

通過220 V 市電轉換為5 V，然后穩壓到3.3 V 給節點供電。控制節點上電初始化后連接OneNet 云平臺，每10 s 上報一條報文作為心跳幀，保持與云平臺的連接。若收到控制命令，則通過繼電器和電磁閥控制水閥和風機的運轉，調整大棚的環境參數。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機APP

手機APP 通過Android Studio 平臺使用JAVA 語言進行編程，APP 采用兩級大棚分區策略，操作管理更加方便。主界面是整個棚區的衛星地圖，進入每個大棚后，顯示了環境參數的實時數據和歷史數據曲線。此外，還添加控制命令和攝像頭功能，可以實時看到作物的生長狀況，如圖3 所示。

2.2.2 大屏終端

大屏終端界面包括實時數據顯示、歷史曲線變化、報警信息、在線設備統計和控制狀態顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數據超過報警上下限，則在報警信息處顯示節點號、時間和異常值，便于用戶及時了解并做出響應。

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通過Keil平臺使用C 語言進行編程，主要包括系統初始化、采集傳感器數據、上傳至OneNet 云平臺、接收升級文件等。工作流程如圖5 所示。

2.2.4 遠程升級

工業4.0 時代，隨著物聯網技術的不斷成熟，信息技術是促進產業變革的重要因素。嵌入式設備高度集成，功率較小，功能可裁剪，通信功能強大，便于與其它設備結合，因此在新型農業設備上應用極廣。傳統使用燒錄器對嵌入式設備進行現場下載程序的方式已遠不能滿足軟件升級對高頻次，便攜性，穩定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點放到終端設備本身，這給嵌入式設備本身增加了不穩定性，使其更繁冗，同時增加了生產成本。

采集節點在實際使用時，一般安裝在較為偏遠的溫室大棚中。考慮到現場升級不太方便，本項目實現了采集節點的IAP 遠程升級功能，利用NB 網絡傳輸升級文件，大大降低了設備的維護難度，提升了便利性，如圖6 所示。

本文在python 端實現了遠程升級的自動化。遠程升級開始后，由python 端自動下發升級報文，農業采集節點校驗成功后，寫入flash，并上報下一條升級包的序號，python 端自動下發下一條升級報文。待所有升級報文下發完成后，農業采集節點跳轉到新的程序開始執行。流程圖如圖7 所示。

3 結束語

本文設計并實現了一種基于物聯網的低功耗智慧大棚控制系統，硬件和軟件經測試均可正常運行，配合3 000 mAh 可充電鋰電池能使用90 d。本系統能檢測農業大棚環境并自動做出調節，使作物一直處于合適的生長環境，增加作物的產量。