基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

摘 "要：為響應(yīng)國家號召，該文設(shè)計(jì)并研究出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino為控制核心，結(jié)合溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏電阻光照強(qiáng)度傳感器，加以微型水泵、風(fēng)扇、加熱片和補(bǔ)光燈等執(zhí)行器，最后通過ESP8266 NodeMcu通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制。該文致力于為農(nóng)戶設(shè)計(jì)出一套具有一定自動化功能的控制系統(tǒng)，進(jìn)而幫助到農(nóng)戶可以耗費(fèi)更少的人力資源去管理更大更多的溫室大棚，以達(dá)到農(nóng)作物高效生產(chǎn)的效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；智慧控制；Arduino；ESP8266

中圖分類號：S625 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " 文章編號：2096-9902（2024）09-0005-04

Abstract： In order to respond to the national call， this paper designs and studies a set of greenhouse environment smart control system based on the Internet of Things. The system takes Arduino as the control core， combines temperature and humidity sensor， soil humidity sensor and photosensitive resistance light intensity sensor， plus actuators such as micro water pump， fan， heating piece and supplementary light lamp， and finally realizes data transmission and remote control through ESP8266 NodeMcu communication module. This paper is committed to designing a set of control system with certain automation function for farmers， so as to help farmers spend less human resources to manage larger and more greenhouses， so as to achieve the effect of efficient crop production.

Keywords： Internet of Things; greenhouse; smart control; Arduino; ESP8266

我國作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)大國，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和數(shù)字化的進(jìn)步，土地和資源的短缺問題、惡意占用耕地和環(huán)境日益變壞的情況、人口激增所帶來的各式各樣的矛盾越加明顯，普通農(nóng)業(yè)種植滿足不了那些因?yàn)樽匀粸?zāi)害、地理復(fù)雜而導(dǎo)致的廣大人口正常需求，而我國科技化種植起步比外國晚，與外國有一定的差距，如農(nóng)業(yè)溫室大棚的現(xiàn)代化管理與控制水平還急需提升。而溫室大棚作為農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要產(chǎn)物，能夠根據(jù)農(nóng)作物的生長特性和專屬的生長環(huán)境，創(chuàng)造一個人工干預(yù)的適合其生長的環(huán)境氣候，減少季節(jié)氣候等自然因素的影響。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚中，不僅能夠在一定程度上減少人力成本，而且能夠?yàn)檗r(nóng)作物提供更舒適的環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高的成效。

1 "總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，包括感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層4個部分。

感知層負(fù)責(zé)全面監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境生態(tài)信息，是環(huán)境智慧控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)且至關(guān)重要的組成部分。以Arduino作為智能終端的核心主控制器，利用各種傳感器實(shí)時(shí)采集溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。再通過手機(jī)APP端遠(yuǎn)程手動或系統(tǒng)自動操作，遠(yuǎn)程控制溫室大棚內(nèi)的補(bǔ)光燈、風(fēng)扇、水泵等執(zhí)行器設(shè)備，從而達(dá)到調(diào)整溫室大棚內(nèi)環(huán)境因子的效果。

傳輸層在本系統(tǒng)的職責(zé)是對環(huán)境數(shù)據(jù)和控制指令的傳遞，將感知層采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)上傳給主控制器設(shè)備和通信模塊，再由通信模塊通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)云平臺的應(yīng)用層和平臺層。

平臺層在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的職責(zé)是數(shù)據(jù)的儲存、管理及指令的執(zhí)行，本系統(tǒng)使用的是Blinker云平臺，Arduino主控器將傳感器采集的環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過ESP8266 NodeMcu模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，再由云平臺將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，還可通過云平臺遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器設(shè)備。

應(yīng)用層在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的職責(zé)是處理并管理由平臺層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，并為用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的UI界面。通過手機(jī)端的UI界面，用戶能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室大棚的環(huán)境因子數(shù)據(jù)。

2 "系統(tǒng)研發(fā)

2.1 "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)是由數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行器模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊和顯示模塊5個模塊構(gòu)成。

為了證實(shí)溫室大棚內(nèi)的終端設(shè)備能實(shí)現(xiàn)自動化和遠(yuǎn)程控制的可能性，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并制造了一個基于Blinker云平臺的物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚簡化模型，以模擬大棚的真實(shí)運(yùn)行環(huán)境。

本系統(tǒng)通過使用風(fēng)機(jī)、微型水泵、補(bǔ)光燈等執(zhí)行器，進(jìn)而模擬溫室大棚工作運(yùn)行環(huán)境。其中，執(zhí)行器模塊通過繼電器控制其驅(qū)動，結(jié)合手機(jī)APP以達(dá)到控制自動化和用戶遠(yuǎn)程控制的效果。

2.1.1 "數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是本溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集功能的主要硬件構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接決定了后續(xù)系統(tǒng)功能的自動化與遠(yuǎn)程通信控制，數(shù)據(jù)采集模塊選用了3個傳感器構(gòu)成，分別是DHT11溫濕度傳感器、YL-69土壤濕度傳感器、光敏電阻光照強(qiáng)度傳感器。數(shù)據(jù)采集功能會輔助自動與手動控制模式，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)控制農(nóng)作物的效果。

1）溫濕度傳感器。在農(nóng)作物的生長周期中，合適的氣溫和濕度是至關(guān)重要的因素。氣溫和濕度變動的速度能影響植物的光合過程，進(jìn)一步干擾其生長。只有在適宜的溫濕環(huán)境下，農(nóng)作物才能健康成長。因此，對溫濕度進(jìn)行有效監(jiān)控和調(diào)整是確保農(nóng)作物健康生長與農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵。

在該傳感器電路中，采用了一種新型電阻式感濕控制元件和NTC模式測溫控制元件，該傳感器的感濕電阻會隨環(huán)境變化而改變，進(jìn)而影響電路傳遞的電壓值，再通過軟件代碼的換算公式得到此時(shí)的環(huán)境溫度與濕度數(shù)據(jù)。

2）光照電阻光照強(qiáng)度傳感器。不同農(nóng)作物對光照強(qiáng)度的需求不同，過高或過低的光照強(qiáng)度都會對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生不良影響。光照強(qiáng)度過強(qiáng)會導(dǎo)致植物生成過量的光合物質(zhì)，反之，若光照強(qiáng)度偏低，則會限制植物光合作用的效率。這2種情況均會對植物的成長及發(fā)展產(chǎn)生不利影響。因此，在種植農(nóng)作物時(shí)，需要根據(jù)其光照需求來合理控制光照強(qiáng)度。

在該傳感器電路中，光敏穩(wěn)壓電阻的工作狀態(tài)受其所處環(huán)境的光照強(qiáng)度影響，不同光照環(huán)境下不同的光敏穩(wěn)壓電阻阻值會影響電路傳遞不同的輸入和輸出光敏電壓，再通過軟件相應(yīng)的換算公式進(jìn)而可以直接測量出環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

3）土壤濕度傳感器。土壤濕度對農(nóng)作物的重要性不言而喻，世界上多少農(nóng)田因?yàn)楦珊詫?dǎo)致農(nóng)作物枯死，同時(shí)過多的水分也會造成農(nóng)作物飽和致死，所以農(nóng)作物的生長需要合適的土壤濕度。土壤濕度的高低會影響植物的吸收能力、根系生長、光合作用和抗病能力。因此，農(nóng)民需要根據(jù)不同作物的要求，合理控制土壤濕度，以保證農(nóng)作物的健康生長。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器采用YL-69，該傳感器選用濕敏材料作為電阻，傳感器采集數(shù)據(jù)原理是因?yàn)槠潆娮柚禃S著探頭周圍濕度的變化進(jìn)而改變，從而使輸出電壓值改變，再通過軟件代碼設(shè)計(jì)端編寫的換算公式得到百分比的土壤濕度數(shù)據(jù)。

2.1.2 "執(zhí)行器模塊

1）加熱片。高溫容易引發(fā)病蟲害，低溫會延長生長期，降低產(chǎn)量。需要合理調(diào)節(jié)溫度，提高產(chǎn)量。加熱片選用PTC加熱片為發(fā)熱元件進(jìn)行模擬。在發(fā)熱元件啟動運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱器件通過內(nèi)能轉(zhuǎn)換為熱能，再通過熱傳遞導(dǎo)致周圍空氣溫度的上升，從而最終實(shí)現(xiàn)提高大棚內(nèi)環(huán)境溫度的效果，進(jìn)而為農(nóng)作物創(chuàng)造出宜居的生長環(huán)境。

2）風(fēng)扇。降溫器選用小電機(jī)散熱風(fēng)扇為降溫元件進(jìn)行模擬。通過電流的傳遞使得電機(jī)帶動風(fēng)扇葉片，機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生風(fēng)力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空氣對流加速散熱，同時(shí)還有改善大棚空氣品質(zhì)的效果。

3）微型水泵。水分是農(nóng)作物生長和發(fā)育的關(guān)鍵因素，適宜的水分能夠促進(jìn)植物吸收營養(yǎng)，提高產(chǎn)量。過多或過少的水分都會對農(nóng)作物產(chǎn)生負(fù)面影響，如使植物生長緩慢、凋萎、感染病害等，因此需要科學(xué)調(diào)控水分。

本系統(tǒng)選用微型水泵為澆灌元件進(jìn)行模擬。水泵通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動泵體內(nèi)的水噴射出來。在大氣壓的作用下，模擬水池的水被吸入泵體，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)地噴出和吸入循環(huán)。

4）補(bǔ)光燈。光照對植物進(jìn)行光合作用至關(guān)重要，其可以推動植物的成長和發(fā)育。不同的農(nóng)作物對光照的需求各有差異，過度或不足的光照都可能對農(nóng)作物造成不良影響，例如減緩植物的生長速度，或是導(dǎo)致葉片黃化等。因此，科學(xué)的光照調(diào)控對提升農(nóng)作物的產(chǎn)量具有重要作用。

補(bǔ)光燈選用LED燈為補(bǔ)光元件進(jìn)行模擬。補(bǔ)光燈利用其內(nèi)部半導(dǎo)體組件的原理來發(fā)射光線，為植物提供其健康生長必要的照明。系統(tǒng)主要是在光照條件較弱時(shí)使用補(bǔ)光燈，其能夠一定程度上提升大棚內(nèi)的光照水平，以實(shí)現(xiàn)在夜晚或者光照強(qiáng)度低下時(shí)為農(nóng)作物補(bǔ)光的需求。

2.1.3 "Wi-Fi通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊與云平臺的遠(yuǎn)程通信，相對比于其他ESP8266型號，在本系統(tǒng)中使用了功能更加完善、性能更加優(yōu)秀的 ESP8266 NodeMcu通信模塊。該模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)主控制器與遠(yuǎn)程手機(jī)APP端的數(shù)據(jù)交換。此外，該模塊集成了Wi-Fi、HTTP、MQTT等多種通信傳輸協(xié)議，該模塊可輔助其他嵌入式芯片使用，也可自成一體單獨(dú)使用。

在本系統(tǒng)中，將Arduino主控制器與相應(yīng)串口配置并連接，利用模塊內(nèi)部的嵌入式MQTT通信協(xié)議，把串口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Wi-Fi信號數(shù)據(jù)。通過軟件設(shè)計(jì)將該模塊的串口與主控制器相配置，當(dāng)ESP8266與云服務(wù)器連接成功，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)選用STA模式作為通信模塊的工作模式，通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺使用MQTT通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對溫室大棚系統(tǒng)與手機(jī)端的數(shù)據(jù)傳輸通信，已達(dá)到遠(yuǎn)程通信控制的功能。

2.2 "系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于收集和解析各傳感器在溫室大棚內(nèi)部環(huán)境檢測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定現(xiàn)行的控制模式。在自動控制模式下，系統(tǒng)將依據(jù)手機(jī)應(yīng)用預(yù)設(shè)的環(huán)境參數(shù)門限值自主運(yùn)行。而在手動控制模式下，控制權(quán)將完全交由手機(jī)應(yīng)用的用戶手動操作。

2.2.1 "信息采集軟件設(shè)計(jì)

1）溫濕度采集設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選用的DHT11型號的溫濕度集成傳感器，與其他相似的環(huán)境因子傳感器相比，優(yōu)勢在于其能夠省去信號放大、過濾、A/D和D/A轉(zhuǎn)換等內(nèi)部處理步驟，直接輸出數(shù)字信號。在DHT11程序中，傳感器上電后會有一段數(shù)據(jù)穩(wěn)定期，以確保檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。

2）光照強(qiáng)度采集設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度模塊由光敏電阻傳感器組成。在光線的照射下，光敏電阻會發(fā)生改變，并因此產(chǎn)生微弱的電流變動，再通過數(shù)模ADC轉(zhuǎn)換，將光敏傳感器檢測出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。與此同時(shí)，系統(tǒng)會使用ADC1的第1通道來調(diào)整光敏二極管的電壓。

3）土壤濕度采集設(shè)計(jì)。為了獲取更為精確的土壤濕度讀數(shù)，采用了市場上相關(guān)農(nóng)業(yè)從事者廣為認(rèn)同的YL-69土壤濕度傳感器。將該模塊通過A0引腳輸出的數(shù)字信號與Arduino單片機(jī)的A1數(shù)字引腳相連，通過數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換，以便將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的A/D值可以通過軟件代碼編寫的換算公式得到電壓值數(shù)據(jù)，再通過換算公式轉(zhuǎn)化為土壤的相對濕度。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，本系統(tǒng)選用了配備12位ADC的Arduino，使用ADC2的通道2進(jìn)行操作，并將得出的數(shù)據(jù)分為100個等份進(jìn)行等比轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到對土壤相對濕度的百分比讀取。

2.2.2 "Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊與云平臺的遠(yuǎn)程通信，系統(tǒng)通過連接ESP8266再通過MQTT協(xié)議，能夠使得大棚系統(tǒng)與云平臺進(jìn)行信息互通，并完成TCP連接的構(gòu)建和數(shù)據(jù)的收發(fā)等任務(wù)。ESP8266 NodeMcu進(jìn)入透傳模式是通過串口通信來完成的。首先，通過AT指令“AT+UART_DEF=115200，8，1，0，0”，設(shè)定ESP8266的串口波特率匹配透傳波特率（通常為115 200 bps）；然后，通過微控制器發(fā)送AT指令“AT+CIPMODE=1”，設(shè)定ESP8266為透傳模式；接著發(fā)送AT指令“AT+CIPSEND”，啟動透傳模式的數(shù)據(jù)發(fā)送功能；最后，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口傳送給ESP8266，數(shù)據(jù)將被直接傳送到連接的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。這樣，系統(tǒng)就與云平臺建立了連接，且成功切換至透傳模式。

2.2.3 "執(zhí)行器控制軟件設(shè)計(jì)

1）風(fēng)機(jī)控制設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，自動模式下的風(fēng)機(jī)控制主要是由溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度決定。系統(tǒng)會根據(jù)用戶在手機(jī)端設(shè)置的溫度閾值對風(fēng)機(jī)進(jìn)行智能控制，溫室大棚內(nèi)的溫濕度傳感器DHT11的響應(yīng)時(shí)間是20～100 μs，因此系統(tǒng)會快速且準(zhǔn)確地作出相應(yīng)的智能決策。

2）補(bǔ)光燈控制設(shè)計(jì)。光是農(nóng)作物進(jìn)行光合作用的必要條件，因此充足且適宜的光照是農(nóng)作物健康生長的重要因素之一。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，自動模式下的補(bǔ)光控制主要是由溫室大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度決定。正常情況下，日出日落時(shí)的光照強(qiáng)度大約是300 lux。對于農(nóng)作物來說，白天太陽給予的光照強(qiáng)度足夠農(nóng)作物進(jìn)行光合作用，為了使農(nóng)作物能更加高產(chǎn)與健康，系統(tǒng)設(shè)置了以300 lux為閾值進(jìn)行補(bǔ)光智能控制。當(dāng)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度小于300 lux時(shí)為進(jìn)入黑夜，補(bǔ)光燈開啟；當(dāng)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度大于300 lux時(shí)為進(jìn)入白天，補(bǔ)光燈關(guān)閉。

3）加熱片控制設(shè)計(jì)。在所有的農(nóng)業(yè)相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，加熱片、加熱管等可以提升大棚內(nèi)部環(huán)境溫度的器件，是智慧農(nóng)業(yè)穩(wěn)定控制農(nóng)作物產(chǎn)量的設(shè)備之一。該設(shè)備主要應(yīng)用于氣溫相對低的北方地區(qū)及全部地區(qū)任何一個季節(jié)都要面臨的晝夜溫差問題，在大棚內(nèi)放置功能良好的加熱設(shè)備可穩(wěn)定地使大棚提高一定溫度。

4）灌溉控制設(shè)計(jì)。農(nóng)作物的健康生長由多種環(huán)境因子制約，不同的農(nóng)作物最適宜的生長環(huán)境因素還各具特點(diǎn)。在眾多環(huán)境因子中，水分更是重中之重。自然界中任何一個羰基生物都離不開水分的滋潤。但水分的量也要“因地制宜”“因材施教”，對于農(nóng)作物而言，只有適量的水分能讓其生長最大化。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，自動模式下的灌溉控制主要是由溫室大棚內(nèi)的土壤濕度決定。

3 "系統(tǒng)應(yīng)用

管理者與操作者：通過手機(jī)端控制大棚設(shè)備和查看大棚內(nèi)溫濕光、小氣象站等傳感器信息。

用戶在這里可以實(shí)時(shí)監(jiān)控所有大棚內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況、大棚內(nèi)溫濕光、二氧化碳、土壤溫濕電導(dǎo)率、土壤氮磷鉀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、用戶當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)情況和大棚周邊視頻監(jiān)控情況等。做到對大棚數(shù)據(jù)全掌握，并在大棚數(shù)據(jù)異常的情況下，及時(shí)通過監(jiān)控平臺進(jìn)行報(bào)警，通知用戶及時(shí)處理，減免損失。可以遠(yuǎn)程控制大棚內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，做到第一時(shí)間處理現(xiàn)場情況，安全可靠。

中央監(jiān)控平臺在用戶大屏控制中心提供一個全方位的監(jiān)控中心。集中管理，一目了然，各種大棚數(shù)據(jù)可以集中監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)異常會及時(shí)報(bào)警。中央遠(yuǎn)程控制平臺如圖1所示。

4 "結(jié)束語

發(fā)展適度的規(guī)模化生產(chǎn)管理與采用智能化的溫室大棚是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。本文以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)為研究對象，通過數(shù)據(jù)與測試闡述了溫度、空氣濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度濃度環(huán)境因子對農(nóng)作物生長的影響。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于傳感器對溫室大棚內(nèi)不同環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，對溫室大棚內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵、補(bǔ)光燈等相關(guān)執(zhí)行器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等功能設(shè)計(jì)。

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