智能化蔬菜大棚的设计与实现.pdf

河南省科技攻关项目 智能电网通信网中业务感知的高可靠传输机制 222102210218 平null山学院高层次人才启动基金 智能电网 通信网中基于业务的拥nullnull解关键技术研究 PXY BSQD 2022004 2023 年度河南省高等学校重点科研项目 智能电网null干通信网 中面向业务的灵活资源分配技术研究 23B510007 河南省高等教育学会高等教育研究项目 应用型本科院校中外合作null学教学质量 保障体系研究与实践 2021SXHLX090 网络与交换技术国家重点实验室开放课题 面向能源互联网通信网的业务可靠传输保障机制 SKLNST 2022 1 10 传统农业种植需要农民自己浇水 打药 消耗大量的人力物 力 近年来 由于农作物种植地减少 资源浪费 加快农业现代化进 程成为我国的重要战略任务 随着互联网技术以及相关技术的发 展 通信技术逐渐应用于农业生产领域 智慧农业得到了发展 智 慧农业的出现改变了传统的农业生产方式 提高作物产量的同时 节省了资源 因此智慧农业将是农业发展的必要趋势 本文针对温 室大棚种植环境 结合数据通信技术设计并实现一套智慧大棚 监控系统 1 本文以 ESP8266 通信技术为支撑设计一款基于 STM32单片机的智慧检测系统 通过模块间的配合来完成数据采 集与上传功能 并且在出现异常情况时进行自动灌溉 使农户及时 了解大棚状况 方便种植与管理 促进了农业现代化发展 2 1 系统总体设计方案 本系统是基于 STM32 的设计与开发分为硬件与软件两部 分 一是通过硬件控制实现大棚内的环境监测与自我调控 二是 通过终端来显示数据功能并通过云端实现远程控制 该系统主要对环境中的温湿度 光照强度和土壤湿度进行 检测 大棚内的主控单元负责接收数据 数据经过处理后通过 ESP8266 上传到阿里云物联网平台实时更新 当检测土壤湿度 达到设定阈值后 系统会自动开启水泵进行灌溉 当检测光照强 度不足时 系统会进行智能补光帮助农作物生长 还会报警提醒 农场主 3 系统将各种信息都收集后 可以上传到云服务器 将 大棚实现云端与移动终端显示 图 1为基于单片机的智慧大棚 系统结构图 2 硬件设计 2 1 STM32单片机 本文设计的基于单片机的智慧大棚系统需要通过ESP8266 连接到远程服务器 因此大棚的监测或报警节点都必须具备联网 功能 因为该单片机拥有十分丰富的外设接口以及内部存储器 在对IO口的合理分配下和外围电路的设计 可以很好地切合本 系统对处理器性能的需求 保证了系统运行的稳定和准确 4 故系 统选择使用STM32做为智慧大棚的主控单元 2 2 温湿度传感器模块 智慧大棚采用温湿度传感器 DHT11 对大棚内温湿度进行 检测 温湿度传感器DHT11可以检测周围环境的温度和湿度 其采用专用的数字采集技术和温湿度传感器技术 该传感器误 差较小 抗干扰性强 2 3 土壤湿度传感器 使用土壤湿度传感器来检测土壤中的湿度 传感器表面采 用镀镍处理 有加宽的感应面积 可以提高导电性能 防止接触 土壤容易生锈的问题 延长寿命 使用时把传感器插入土壤中从 土壤模块的AO口土壤湿度的值 智能null蔬菜大棚nullnullnull 张伟涛 刘保null 平null山学院信息工程学院 河南 平null山 467000 Design and Implementation of Intelligent Vegetable Greenhouse 摘要 为促进新一代农业大null发展 改善传统农业种时费力 低效的种null模式 探null了一种将现代的通信技术 控制技 术与大null种null相结合的新型种null模式 在系统设计中 用各类传感器检测大null内的环境数值 通过 Wi Fi通信模块来实现 数据传上云端 使用控制模块来控制各个模块工作 实验表明所设计的智慧化nullnull大null系统可以在终端设备上有效地对农 业大null环境进行监测和控制 从而指导农业生产 极大地方便了农户种null管理 同时提高了农业现代化水平 对智慧农业发 展具有一定的参考价值 关键词 STM32 智慧大null Wi Fi通信 Abstract In order to promote the development of a new generation of agricultural greenhouse a new planting mode integrating communication technology and control technology is used in this paper The Wi Fi communication module is mainly used to transmit data to the cloud and the sensor uses sensor technology to detect the environmental value in the greenhouse Use the control module to control the operation of each module Finally the intelligent vegetable greenhouse system designed in this paper can monitor and control the agricultural greenhouse environment conveniently and effectively which not only improves the utilization rate of resources but also improves the level of agricultural production and provides a reference basis for China s agricultural modernization Keywords STM32 intelligent vegetable greenhouse Wi Fi communication 图1 基于单片机的智慧大棚系统结构图 智能化蔬菜大棚的设计与实现154 工业控制计算机 2023年第36卷第5期 2 4 ESP8266模块 将ESP8266设置为STA模式工作 在该模式下 ESP8266 通过接收路由器的信号而能够连接互联网 如果把它安装在硬 件设备上 就可以实现硬件设备的远程控制 可以理解为此时 ESP8266是主动去连接其他设备 3 软件设计 3 1 服务端软件设计与实现 智慧大棚需要将各种数据上传到云端 因此需要一个服务 器 服务器的选择也有好几种 自己搭建成本太高 最好选择网 上购买云服务器 因此可以选择使用阿里云服务器 阿里云服务 器方便 快捷 可以为设备提供安全可靠的连接通信能力 而本 地设备则可以通过MQTT协议与物联网平台建立长连接 上传 报数据到物联网平台 智慧大棚系统接入阿里云物联网平台的第一步是在控制台 创建产品 随后在创建的智慧大棚产品下创建一个名为test的设 备 用以测试 当产品创建完毕之后可以在产品中定义一系列与 接入设备对应的功能如 WDvalue 温度值 SDvalue 湿度值 智慧大棚利用物联网平台提供的 ProductKey DeviceName DeviceSecret码 以一机一密的配对方式实现数据上传的功能 将系统的温湿度 光照强度与风扇等状态上传到云服务器上 在 设备中 可以查看上传成功的物模型数据 图2为阿里云界面图 图2 阿里云界面 3 2 主程序流程设计 当智慧大棚系统程序开启时首先会进行程序端的初始化 随后各硬件元件根据程序预设的状态进行硬件元件的初始化 硬件初始化会有略微的时延 硬件初始化结束后将 Wi Fi模块 配置为 STA 模式 在该过程中添加一个自我反馈 若配置未完 成则继续配置 配置结束后开始处理发送缓冲区和接收缓存区 的内容 若发送缓存区有数据需要发送就通过 esp8266 与阿里 云连接发送数据 若是接收缓存区有数据 就把数据分解处理取 出移动端下达的命令同时显示会同步更新 3 3 子程序流程设计 1 温湿度监测子程序 当主程序开始后温度监控传感器随 之启动 温湿度传感器进行初始化 经过短暂的时延之后 传感 器开始读取周围环境的温度和湿度 随后必须进行数据校验 当 数据校验无误后才可以进行温度与程序中所设定的阈值进行比 较 若没有超过设定阈值便重复以上步骤 若超过阈值则说明大 棚内温度过高 将通过蜂鸣器来发出警报 2 光照强度子程序 当主程序开始后光照检测程序随之启 动 等待初始化 光照会改变光敏电阻的阻值 5 经过短暂的时 延之后通过STM32的模拟引脚进行AD转换读出当前光照值 3 土壤湿度子程序 当主程序开始后光照检测程序随之启 动 等待初始化 配置好模拟输入的引脚后读取土壤湿度传感器 发送过来的数据进行ADC转换 最后在屏幕上显示 4 继电器控制子程序 当本系统上电后整个继电器控制子 系统会进行初始化 初始化时继电器控制的原件会产生 1 2 s 的正常运行 随后会关闭 初始化完毕之后 STM32主控板会根 据获取的监测信息来控制继电器的上电与掉电 当检查温度高 于阈值是会发出警报 当检查 土壤湿度低于阈值会启动水 泵 当检测光照强度过低是会 补光 图3给出了检测流程图 4 系统测试 系统测试的目的就是检测 本系统功能是否达成预期目 标 通过测试找出未达成预期 目标的错误在哪里 将测试出 的错误进行改正 从而达到完 善整个系统的目的 在本次测试中 主要对三 个方面进行测试 1 功能测试 对系统中用 到的模块进行单独测试 确保 每一个模块在使用之前都经过 功能测试 若无法单独测试的 模块 则进行小范围联调 图 4 为功能测试 图4 功能测试 2 显示与云端测试 为确保在实地与云端中都能准确观 测温湿度与土壤湿度等数据 故需要将OLED与云端显示数据 界面进行测试 图5给出了显示与云端测试结果 能实时准确显 示当前大棚内的各项环境参数值 下转第158页 图3 检测流程图 图5 显示与云端测试图 155 上接第155页 3 整体测试 单独模块功能和显示与云端测试完毕之后便需要 进行整体联调 即将整个系统联在一起进行测试 测试结果如表1 5 结束语 本文通过对智慧大棚系统进行需求分析 对系统设计 硬件 实现和软件实现进行了详细介绍 完成了系统测试 最终设计出 了开发成本低 功能完善 组网简单 数据监测准确 实际应用价 值高的智慧大棚系统 实现系统预期功能 参考文献 1 王金 智慧农业大棚监控系统的设计与实现 D 太原 中北大学 2020 2 李寒 基于物联网的智慧农业大棚控制系统设计 D 保定 河北大 学 2021 3 张顺锋 温宗周 田强明 张阳阳 智慧大棚控制系统设计 J 微处理 机 2020 41 1 48 51 4 吴昊 杜选 肖世东 等 基于嵌入式平台的智慧大棚开发 J 电脑知 识与技术 2020 16 1 220 222 5 王亚冬 智慧农业大棚测控及信息管理系统 D 济南 山东建筑大 学 2019 收稿日期 2022 10 11 2 本系统装置的第三端盖上设有支架组件 支架组件可以 在排风过程支撑住第三端盖 提高了排风过程的稳定性 3 本系统装置除了可以实现从室内向室外排风之外 还可 以将室外新鲜的空气送到室内即引风 室外的空气通过净化后 进入第四通风管 然后从第四端盖排到室内 实现室内外大面积 空气交换 避免了室内出现负压带来的不适感 3 排风换气数据分析 确定房间所需的新风量时 应根据房间空间的大小及室内 人员数量综合考虑 目前新风行业一般有2种计算风量的方法 一种是按每人所需新风量人数 另一种是按房间面积净层高送 风换气次数的方式 取二者中的较大值作为设备选型依据 而对 于特殊行业 如医院 手术室 特护病房 实验室 工业车间 应 按该行业相关规范条例确定所需新风量 以某家庭住宅面积150 m 2 层高3 m 人员5人为例 正常 换气次数的计算是将每小时的总送风量除以房间的空间体积 计算公式为 换气次数 次 h 各送风口风量之和 m 3 h 房间面积 m 2 高度 风口风量 m 3 h 平均风带 m s 风口通风面积 m 2 3600 送风口平均风速 各测量点风速之和 测量点数 根据以上三式即可推算出新风系统的换气次数 这里直接 参考 JGJT 440 2018 住宅新风系统技术标准 如表 1所示 举例的人均居住面积为30 m 2 注意 F为室内总面积 Fp为人 员居住面积 由表1可知换气次数n 0 50次 表1 最小设计新风量换气次数 最后计算得 最小新风量 F h n 15 030 5 225 m 3 h 实 际上是不可能以这个风量去选择主机的 这是新风设计的最小 风量 也就是换气的最小速率 换气次数法可以计算这个家庭所需的最小新风量 而CO 2 法可以计算出更加合适的新风量 根据 JGJT 440 2018 住宅 新风系统技术标准 的起居室CO 2 浓度法 Q b 0 1 x C y C2 y C0 其中 Q b 为卧室新风量 m 3 h x C 为室内CO 2 散发量 L h 按室 内人数和每人的 CO 2 量进行计算 y C2 为室内 CO 2 浓度限值 按设计要求或取0 1 y C0 为室外CO 2 浓度 取0 04 这些是基本固定的常量 另外 根据查询到的资料显示 成人在室内每小时呼出的 CO 2 大约在 30 L h左右 激烈运动时可达到 50 L h 这里我们 取值36 L h 那么在一个人员为 5的家庭住宅面积里 根据上 述公式计算得 Q b 0 1 5 36 0 1 0 04 300 m 3 h 根据资料调查显示 新风系统功率大小要根据安装大小来决 定 以建筑面积100 m 2 为例 那其弱档功率在46 W 强档功率 在78 W 而实现300 m 3 h空气交换的最大功率也只在100 W 左右 另外 新风系统的功能强大 具有换气 除尘 排湿 调节室 温等功能 而1匹空调的功率通常在2300 W左右 因此从数据 上分析本次设计的智能家居空气交换控制系统更胜一筹 4 结束语 为了清新室内空气 本文设计了一种智能家居空气交换控 制装置 涉及换气设备技术领域 一方面该系统可以通过CO 2 和PM2 5传感器监测室内的空气质量 及时过滤有害气体 向 外排风 也可向室内引风提供新鲜的空气 降低室内各种有害物 质浓度 另一方面 本系统通过温湿度传感器实时采集室内温湿 度信息 当超出设置的阈值时可自动通风 能够在进行换气的同 时进行热量的交换 以维持舒适的温湿度范围 提供健康 舒适 的生活环境 本系统具有能耗低 效率高 无污染 智能化等优 点 体现了碳中和的理念 具有广阔的应用前景 参考文献 1 徐剑平 关于诱导通风系统的研究与应用探讨 J 制冷空气与电力 机械 2007 2 44 46 2 李京京 庄幸 我国新能源和可再生能源政策及未来发展趋势分析 J 中国能源 2001 4 5 9 3 马海玲 基于风光互补的超低能耗高效通风系统设计 J 科技创业 月刊 2017 8 126 129 4 黄志喜 送风速度对碰撞射流气流特征影响的实验研究 J 发电技 术 2014 5 56 61 5 张旭 灰色预测优化模型在企业信用风险评价中的应用 D 北京 北 京化工大学 2014 6 RUD DMYTRD 基于 TSCH 网络的智能家居控制系统 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2019 7 孙辉 叶智林 刘鸿森 等 一种智能家用自动通风换气系统的设计 J 现代制造技术与装备 2021 57 12 206 208 212 收稿日期 2022 11 02 表1 整体测试表 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 智能家居空气交换控制系统的设计158