基于物联网的农业温室大棚监管系统设计.pdf

农机与农艺 Agricultural Machinery and Agronomy 2022 年 6 月下 48 基于物联网的农业温室大棚监管系统设计 陈昊晟 华北水利水电大学 河南 郑州 450045 摘 要 笔者设计了一种基于物联网的农业温室大棚监管系统 该系统通过一系列传感器实现对温度 湿度 二氧化碳浓度 光照强度等数据的实时采集 将数据发送至 STM32F103C 单片机控制系统中进行处理分析 同时利用 WiFi 通信模块配合 MQTT 协议接入 OneNET 云平台 完成与客户端的数据交换 用户可通过移动终端作为人机界面进行监控 发送远程命令控制 执行设备调节棚内农业生产参数 试验结果表明 该系统具有稳定可靠 监控效果好 成本低等优点 能有效提高农业大棚种 植的科学化和智能化控制水平 关键词 智慧农业 温室大棚 物联网 传感器 云平台 中图分类号 S625 5 S126 文献标志码 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2022 12 014 我国农业正逐步从传统农业向数字农业 智慧 农业迈进 1 加快突破农业关键核心技术 扎实推进 农业现代化 是智慧农业发展的关键 2 农业温室大 棚智能化监控是实现农业现代化的重要途径 而现行 的大部分温室大棚管理理念落后 行业发展水平低 缺乏一套完善 规范的生产管理体系 农业设施化水 平低导致资源利用率低 在农业生产过程中 对气 温 光照 土壤含水量等指标难以科学监测和分析 不能准确把控作物生长过程中各种养料的施加量 影 响了农业种植效益 基于此 笔者设计了一种基于 物联网的农业温室大棚监管系统 该系统采用STM32 为主控芯片 与系列传感器连接 实时监测温室大棚 内各环境参数 及时调整大棚内环境参数以达到设定 标准 实现调节生长周期 提质增产目的 3 1 系统总体设计 本系统采用STM32F103C处理器作为控制单元 利用各种传感器来采集大棚内的温度 湿度 二氧化 碳浓度 光照强度等大棚环境数据 系统分为自动控 制和手动控制两种工作模式 自动工作模式是指控制 系统将采集的数据值与提前设置好的阈值范围相比 对 如果采集的数据值超出设置范围 将自动控制执 行设备以调节温室大棚环境参数 无需人工操作 手 动控制模式是指用户根据采集的数据进行判断 手动 发出指令来控制执行设备执行一定动作 基于物联网技术框架的农业温室大棚监管系统 由感知层 传输层和应用层三层结构组成 4 整体系 统设计架构图如图1所示 感知层是整个系统的基 础 主要功能是利用传感器来获取农作物生长环境情 况 完成对温室大棚环境内各项数据 的 采集 5 传 输 层则将感知层采集的数据发送给应用层 并将上层发 送的控制指令送达感知层 应用层是整个系统最重要 的部分 它处理接收到的传感器数据 并将处理结果 上传OneNET云端 使用户能在移动终端或网页上访 问云平台 远程监测大棚内的作物环境情况与控制大 棚系统设备 传感器感知层 执行机构 传输层 通信模块 应用层 Web 网页 移动终端 无线网络 有线网络 图 1 系统总体设计架构图 2 系统硬件设计 农业温室大棚监管系统主要由数据采集模块 数 据传输模块 控制模块 执行设备模块 电源模块组 成 系统硬件组成图如图2所示 先通过传感器完成 对大棚各项环境数据的采集 再经A D转换将模拟量 转换为数字量 STM32F103C单片机是系统的核心 为 系统功能的完善与开发提供了强大支撑 然后借助 ESP8266 WiFi设备模块来实现数据的上传和指令的下 基金项目 华北水利水电大学 2021年大学生创新创业训练计划重点项目 2021XA018 作者简介 陈昊晟 2002 男 湖南娄底人 本科 研究方向为控制理论与控制工程 农机与农艺Agricultural Machinery and Agronomy2022 年 6 月下 49 达 电源模块为系统供电 保证系统的可靠运行 补光设备 卷帘 风扇 加热器 加湿器 供电模块 WiFi 模块 采集环境参数 控制设备指令 STM32F103C 单片机 温度传感器 湿度传感器 光照传感器 CO 2 传感器 其他传感器 图 2 系统硬件组成图 2 1 数据采集模块 在农作物的生长过程中 空气温湿度 土壤温湿 度 二氧化碳浓度以及光照强度是影响其长势的重要 环境因素 6 获得这些环境参数并加以适当调节有利 于农作物的良好生长 而大棚环境数据的实时采集 需要依赖相应传感器来实现 本系统选用DHT11传 感器采集空气温湿度数据 选用YL 69传感器采集 土壤湿度数据 选用MH Z14A二氧化碳传感器采集 空气中的二氧化碳浓度数据 选用BH1750FVI光学 传感器采集光照强度数据 2 2 数据传输模块 WiFi数据传输模块以ESP8266为核心芯片 ESP8266的尺寸为16 mm 24 mm 3 mm 模块采用 3DBi的PCB板载天线 ESP8266具备无线上网功能 可以通过配置与单片机上的UART串口进行通信 为网络覆盖提供了可能 且集成化的芯片提高了处理 速度 7 该WiFi模块主要是将传感器采集到的实时 数据传输给控制模块 并将采集到的信息经过处理上 传到OneNET平台 2 3 控制模块 控制模块是系统的核心 负责数据分析和控制 各个模块 系统采用STM32F103C单片机 使用的是 STM32单片机的最小系统 在其使用过程中不用搭载 其他电路 焊接电路时可直接进行连接 STM32F103 系列单片机为Cortex M3内核 具有多个外设接口 包括GPIO口 A D转换 串口通信 DMA等 单片机 上资源十分丰富 稳定性好 8 2 4 执行设备模块 系统执行设备包括加热器 加湿器 卷帘等 控 制模块通过分析传感器模块获得的数据 发出加热 加湿 补光等电信号 WiFi模块传输信号使继电器动 作 通过继电器对各执行设备进行控制 营造出适宜 农作物生长的温室大棚生产条件 继电器是一种电 控装置 其通常作为控制元件 有扩大控制范围的效 果 9 继电器可根据信号控制执行设备的开关状态 进而实现农业的自动化作业 2 5 电源模块 系统设计的电源供电分为5 V供电和3 3 V供电 数据采集模块 直流电机等输入电压是5 V 经过 LD1117芯片后 将电压降为3 3 V 此电压可以供控制 电路MCU使用 在使用上采用太阳能光伏板供电 3 系统软件设计 本系统根据所需功能以及采用的STM32F103C 微控制器进行了软件设计 在Keil编程软件里利用 C语言完成对程序的编写 主程序主要从数据采集 程序 数据传输程序和控制执行程序三个部分展开 设计 系统软件设计流程图如图3所示 先对系统进 行初始化 发送初始信号 各传感器模块收到信号后 给予响应 开启工作模式 逐步采集环境中的数据信 息 单片机模块通过无线通信模块串口与云平台通 信 传感器采集到的数据将会在设计好的监控界面得 以展示 同时用户可点击相关操控按键发送控制指令 至服务器 服务器接受指令下达给执行设备 然后将 执行结果返回客户端 图 3 系统软件设计流程图 3 1 数据采集 各传感器采集温室内环境参数时 先上电初始 化 等待来自控制器的请求数据信号 收到请求信号后将 采集的数据由模拟信号转换成数字信号 并通过串口 发送至控制器 然后开始等待下次采集 环境数据采 集流程图如图4所示 3 2 数据传输 单片机通过UART串口向ESP8266模块发送AT指 结束 开始 系统初始化 采集数据并上传 云平台指令接收 对指令解码 执行云平台指令 通信模块初始化 连接成功 Y N 农机与农艺 Agricultural Machinery and Agronomy 2022 年 6 月下 50 令配置进行通信 系统成功加入无线通 信 网络后 数 据传输系统将传感器采集信息 设备工作状态信息经 过处理以数据报文的形式传送至云平台 云平台也可 以反向发送指令数据给单片机执行一些控制操作 10 3 3 控制执行 传感器采集到的数据信息经处理与设置阈值进 行比较 根据比较结果执行机械动作 使温室环境参 数时刻保持在设定范围内 用户也可根据监控情况 远程发送指令来控制继电器 进而控制现场设备 执 行设备的具体工作流程图如图5所示 图 5 执行设备控制流程图 4 云平台的搭建 本农业温室大棚监管系统选用的终端应用平台是 OneNET平台 OneNET是中国移动为广大开发者打造 的免费物联网云服务平台 能快速接入传感器等设备 和接收 储存采集数据 农业管理工作人员可以随时 在移动终端查看作物相关数据信息 用户按照系统提 示进行操作即可将终端设备接入OneNET云平台 本 系统添加产品时联网方式选择WiFi 设备接入协议选 择MQTT OneNET平台接入设备流程如图6所示 开始 结束 注册用户 新建产品 添加设备 创建数据流 设计监控界面 创建应用 获取 APIkey 图 6 OneNET平台接入设备流程 5 结语 本研究结合物联网技术 无线通信技术 自动控 制技术设计了一套智慧农业温室大棚监管系统 较好 地弥补了传统温室大棚调控不及时 监测环境参数单 一等缺点 系统利用硬件设备和软件设计相结合 实 时监测大棚内空气温湿度 土壤温湿度 二氧化碳浓 度 光照强度等数据 进行环境参数的自动调节 可 以对温室大棚环境进行精准调控 同时用户能够根据 采集的数据对作物的生长环境进行调整 实现农作物 的精细化管理 降低种植成本 增加农户收益 该系 统能有效提高农业生产效率 为服务农业生产提供更 多选择 具有良好的应用价值与发展前景 参考文献 1 单兴巧 基 于 STM32 的分布式农业大棚监控系统的设计 终端 节点的设计 J 电子元器件与信息技术 2021 5 2 19 20 22 2 于法稳 基于绿色发展理念的智慧农业实现路径 J 人民 论坛 学术前沿 2020 24 79 89 3 冀 金 泉 赵 明 富 李 国 厚 等 基于 MQTT 的温室环境智能管 理系统 J 南方农机 2020 51 4 129 131 4 海 涛 陈 娟 周 文 杰 等 基于 LoRa 和 NB IoT 物联网技术的 孵化监控系统 J 中国农机化学报 2021 42 5 159 165 5 任 玲 夏 俊 翟 旭 军 等 基于农业物联网技术的智能温室系 统实现 J 南方农机 2022 53 3 5 10 6 梁 志 勋 施 运 应 覃 有 燎 等 基于 MQTT 协议的智慧农业大 棚测控系统研究 J 北方园艺 2020 23 161 171 7 陈 明 霞 王 晓 文 张 寒 基于 WSNs 的无线可视化智慧农业管 理系统 J 农机化研究 2021 43 7 207 211 8 李 亚 迪 苗 腾 朱 超 等 北方日光温室智能监控系统的设计与 实现 J 中国农业科技导报 2016 18 5 94 101 9 何 嘉 凯 杜 雪 梅 郏 浩 杰 等 基于单片机的智能温室系统的设 计与实现 J 物联网技术 2021 11 10 41 44 10 高 浩 天 朱 森 林 常 歌 等 基于农业物联网的智能温室系统 架构与实现 J 农机化 研究 2018 40 1 183 188 图 4 环境数据采集流程图 开始 初始化 发送起始信号 处理数据 等待 采集周期 N N Y 优感器响应 采集时间 结束 Y