基于物联网的温室大棚环境智慧控制系统研发与应用_李帅.pdf

2024年9期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三农 基于物联网的温室大棚环境智慧控制系统研发与应用 李 帅 杨凌职业技术学院 陕西 杨凌 712100 我国作为农业产业生产大国 随着经济的快速发 展和数字化的进步 土地和资源的短缺问题 恶意占用 耕地和环境日益变坏的情况 人口激增所带来的各式 各样的矛盾越加明显 普通农业种植满足不了那些因 为自然灾害 地理复杂而导致的广大人口正常需求 而 我国科技化种植起步比外国晚 与外国有一定的差距 如农业温室大棚的现代化管理与控制水平还急需提 升 而温室大棚作为农业技术的重要产物 能够根据农 作物的生长特性和专属的生长环境 创造一个人工干 预的适合其生长的环境气候 减少季节气候等自然因 素的影响 将物联网技术应用到温室大棚中 不仅能够 在一定程度上减少人力成本 而且能够为农作物提供更 舒适的环境 进而达到农业产量提高的成效 1 总体设计 本系统采用典型的物联网架构 包括感知层 传输 层 平台层和应用层4个部分 感知层负责全面监测温室大棚内的环境生态信 息 是环境智慧控制系统最基础且至关重要的组成部 分 以Arduino作为智能终端的核心主控制器 利用各 种传感器实时采集温室大棚内的环境因子数据 再通 过手机APP端远程手动或系统自动操作 远程控制温 室大棚内的补光灯 风扇 水泵等执行器设备 从而达 到调整温室大棚内环境因子的效果 传输层在本系统的职责是对环境数据和控制指令 的传递 将感知层采集的环境因子数据上传给主控制 器设备和通信模块 再由通信模块通过MQTT协议将 数据传输给物联网云平台的应用层和平台层 平台层在本系统设计的职责是数据的储存 管理 及指令的执行 本系统使用的是 Blinker 云平台 Ar duino主控器将传感器采集的环境因子数据进行处理 再通过ESP8266 NodeMcu模块将数据上传到云平台 再由云平台将数据进行实时显示 还可通过云平台远 程控制执行器设备 应用层在本系统设计的职责是处理并管理由平台 层转发的数据 并为用户提供远程监控的UI界面 通 过手机端的UI界面 用户能够在任何时间 任何地点 摘 要 为null 国nullnull null 设计nullnull 出一null 物联网的nullnull大nullnullnull智慧控制nullnull nullnullnull以Arduino为控制nullnull null 合nullnullnullnull感null nullnullnullnullnull感null nullnullnullnullnull 感null null以nullnullnullnull nullnull nullnullnull和nullnullnull等nullnullnull 最null通过ESP8266 NodeMcu通信null 实现数据null 与null程控制 nullnull 力null为农null设计出一nullnull 一定null 化null能的控制null 进null 助到农null可以 耗费更少的人力资源去管理更大更多的null 大null 以达到农作物null效生产的效果 关键词 物联网nullnull 大null 智慧控制nullArduinonullESP8266 中图分类号 S625 文献标志码 A 文章编号 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 基金项目 杨凌职业技术学院2023年科技创新项目 ZK23 43 杨凌职业技术学院2023年产学研基地建设项目 JDJS 01 作者简介 李帅 1994 男 硕士 助教 研究方向为设施园艺技术 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 5 2024年9期智慧三农 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 远程监控温室大棚的环境因子数据 2 系统研发 2 1 系统硬件设计 基于物联网的温室大棚环境智慧控制系统设计的 硬件结构是由数据采集模块 执行器模块 Wi Fi通信 模块 电源模块和显示模块5个模块构成 为了证实温室大棚内的终端设备能实现自动化和 远程控制的可能性 本实验系统设计并制造了一个基 于Blinker云平台的物联网温室大棚简化模型 以模拟 大棚的真实运行环境 本系统通过使用风机 微型水泵 补光灯等执行 器 进而模拟温室大棚工作运行环境 其中 执行器模 块通过继电器控制其驱动 结合手机APP以达到控制 自动化和用户远程控制的效果 2 1 1 数据采集模块 数据采集模块是本温室大棚环境智慧控制系统设 计中数据采集功能的主要硬件构成 数据采集模块采 集数据的准确性直接决定了后续系统功能的自动化与 远程通信控制 数据采集模块选用了 3 个传感器构 成 分别是DHT11温湿度传感器 YL 69土壤湿度传 感器 光敏电阻光照强度传感器 数据采集功能会辅 助自动与手动控制模式 进而更好地实现控制农作物 的效果 1 温湿度传感器 在农作物的生长周期中 合适的 气温和湿度是至关重要的因素 气温和湿度变动的速 度能影响植物的光合过程 进一步干扰其生长 只有在 适宜的温湿环境下 农作物才能健康成长 因此 对温 湿度进行有效监控和调整是确保农作物健康生长与农 作物产量的关键 在该传感器电路中 采用了一种新型电阻式感湿 控制元件和NTC模式测温控制元件 该传感器的感湿 电阻会随环境变化而改变 进而影响电路传递的电压 值 再通过软件代码的换算公式得到此时的环境温度 与湿度数据 2 光照电阻光照强度传感器 不同农作物对光照 强度的需求不同 过高或过低的光照强度都会对农作 物的生长产生不良影响 光照强度过强会导致植物生 成过量的光合物质 反之 若光照强度偏低 则会限制 植物光合作用的效率 这2种情况均会对植物的成长 及发展产生不利影响 因此 在种植农作物时 需要根 据其光照需求来合理控制光照强度 在该传感器电路中 光敏稳压电阻的工作状态受 其所处环境的光照强度影响 不同光照环境下不同的 光敏稳压电阻阻值会影响电路传递不同的输入和输出 光敏电压 再通过软件相应的换算公式进而可以直接 测量出环境光照强度数据 3 土壤湿度传感器 土壤湿度对农作物的重要性 不言而喻 世界上多少农田因为干涸导致农作物枯死 同时过多的水分也会造成农作物饱和致死 所以农作 物的生长需要合适的土壤湿度 土壤湿度的高低会影 响植物的吸收能力 根系生长 光合作用和抗病能力 因此 农民需要根据不同作物的要求 合理控制土壤湿 度 以保证农作物的健康生长 本系统设计土壤湿度传感器采用YL 69 该传感 器选用湿敏材料作为电阻 传感器采集数据原理是因 为其电阻值会随着探头周围湿度的变化进而改变 从 而使输出电压值改变 再通过软件代码设计端编写的 换算公式得到百分比的土壤湿度数据 2 1 2 执行器模块 1 加热片 高温容易引发病虫害 低温会延长生长 期 降低产量 需要合理调节温度 提高产量 加热片选 用PTC加热片为发热元件进行模拟 在发热元件启动运 行时 发热器件通过内能转换为热能 再通过热传递导 致周围空气温度的上升 从而最终实现提高大棚内环 境温度的效果 进而为农作物创造出宜居的生长环境 2 风扇 降温器选用小电机散热风扇为降温元件 进行模拟 通过电流的传递使得电机带动风扇叶片 机 械运动产生风力进而实现空气对流加速散热 同时还 有改善大棚空气品质的效果 3 微型水泵 水分是农作物生长和发育的关键因 素 适宜的水分能够促进植物吸收营养 提高产量 过 多或过少的水分都会对农作物产生负面影响 如使 植物生长缓慢 凋萎 感染病害等 因此需要科学调 控水分 本系统选用微型水泵为浇灌元件进行模拟 水泵 通过叶轮的高速旋转 驱动泵体内的水喷射出来 在大 气压的作用下 模拟水池的水被吸入泵体 进而可以实 现持续地喷出和吸入循环 4 补光灯 光照对植物进行光合作用至关重要 其 可以推动植物的成长和发育 不同的农作物对光照的 需求各有差异 过度或不足的光照都可能对农作物造 成不良影响 例如减缓植物的生长速度 或是导致叶片 黄化等 因此 科学的光照调控对提升农作物的产量具 有重要作用 补光灯选用LED灯为补光元件进行模拟 补光灯 利用其内部半导体组件的原理来发射光线 为植物提 6 2024年9期 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三农 供其健康生长必要的照明 系统主要是在光照条件较 弱时使用补光灯 其能够一定程度上提升大棚内的光 照水平 以实现在夜晚或者光照强度低下时为农作物 补光的需求 2 1 3 Wi Fi通信模块 为了实现数据传输模块与云平台的远程通信 相 对比于其他ESP8266型号 在本系统中使用了功能更 加完善 性能更加优秀的 ESP8266 NodeMcu通信模 块 该模块负责系统主控制器与远程手机APP端的数 据交换 此外 该模块集成了Wi Fi HTTP MQTT等多 种通信传输协议 该模块可辅助其他嵌入式芯片使用 也可自成一体单独使用 在本系统中 将Arduino主控制器与相应串口配置 并连接 利用模块内部的嵌入式MQTT通信协议 把串 口的数据转化为Wi Fi信号数据 通过软件设计将该 模块的串口与主控制器相配置 当ESP8266与云服务 器连接成功 即可实现数据通信 本系统选用STA模式 作为通信模块的工作模式 通过物联网云平台使用 MQTT通信协议 实现对温室大棚系统与手机端的数据 传输通信 已达到远程通信控制的功能 2 2 系统软件设计 本系统设计用于收集和解析各传感器在温室大棚 内部环境检测到的各项数据 进一步确定现行的控制 模式 在自动控制模式下 系统将依据手机应用预设的 环境参数门限值自主运行 而在手动控制模式下 控制 权将完全交由手机应用的用户手动操作 2 2 1 信息采集软件设计 1 温湿度采集设计 本系统选用的DHT11型号的 温湿度集成传感器 与其他相似的环境因子传感器相 比 优势在于其能够省去信号放大 过滤 A D和D A 转换等内部处理步骤 直接输出数字信号 在DHT11 程序中 传感器上电后会有一段数据稳定期 以确保检 测到的温湿度数据是真实可靠的 2 光照强度采集设计 在本系统中 光照强度模块 由光敏电阻传感器组成 在光线的照射下 光敏电阻会 发生改变 并因此产生微弱的电流变动 再通过数模 ADC转换 将光敏传感器检测出的模拟信号转化为数 字信号 与此同时 系统会使用ADC1的第1通道来调 整光敏二极管的电压 3 土壤湿度采集设计 为了获取更为精确的土壤 湿度读数 采用了市场上相关农业从事者广为认同的 YL 69土壤湿度传感器 将该模块通过A0引脚输出的 数字信号与Arduino单片机的A1数字引脚相连 通过 数模A D转换 以便将模拟信号转化为数字信号 经过 转换后的A D值可以通过软件代码编写的换算公式得 到电压值数据 再通过换算公式转化为土壤的相对湿 度 进行A D转换的单片机 本系统选用了配备12位 ADC的Arduino 使用ADC2的通道2进行操作 并将 得出的数据分为100个等份进行等比转换 从而达到 对土壤相对湿度的百分比读取 2 2 2 Wi Fi网络通信程序设计 为了实现数据传输模块与云平台的远程通信 系 统通过连接ESP8266再通过MQTT协议 能够使得大 棚系统与云平台进行信息互通 并完成TCP连接的构 建和数据的收发等任务 ESP8266 NodeMcu进入透传 模式是通过串口通信来完成的 首先 通过AT指令 AT UART DEF 115200 8 1 0 0 设定ESP8266的 串口波特率匹配透传波特率 通常为115 200 bps 然 后 通过微控制器发送AT指令 AT CIPMODE 1 设 定 ESP8266 为透传模式 接着发送 AT 指令 AT CIPSEND 启动透传模式的数据发送功能 最后 将需 要发送的数据通过串口传送给ESP8266 数据将被直接 传送到连接的Wi Fi网络中 这样 系统就与云平台建 立了连接 且成功切换至透传模式 2 2 3 执行器控制软件设计 1 风机控制设计 在本系统设计中 自动模式下的 风机控制主要是由温室大棚内的环境温度决定 系统 会根据用户在手机端设置的温度阈值对风机进行智能 控制 温室大棚内的温湿度传感器DHT11的响应时间 是20 100 s 因此系统会快速且准确地作出相应的智 能决策 2 补光灯控制设计 光是农作物进行光合作用的 必要条件 因此充足且适宜的光照是农作物健康生长 的重要因素之一 在本系统设计中 自动模式下的补光 控制主要是由温室大棚内的光照强度决定 正常情况 下 日出日落时的光照强度大约是300 lux 对于农作物 来说 白天太阳给予的光照强度足够农作物进行光合 作用 为了使农作物能更加高产与健康 系统设置了以 300 lux为阈值进行补光智能控制 当大棚内的光照强 度小于300 lux时为进入黑夜 补光灯开启 当大棚内 的光照强度大于300 lux时为进入白天 补光灯关闭 3 加热片控制设计 在所有的农业相关的系统设 计中 加热片 加热管等可以提升大棚内部环境温度的 器件 是智慧农业稳定控制农作物产量的设备之一 该 设备主要应用于气温相对低的北方地区及全部地区 任何一个季节都要面临的昼夜温差问题 在大棚内 7 2024年9期智慧三农 智慧农业导刊 Journal of Smart Agriculture 放置功能良好的加热设备可稳定地使大棚提高一定 温度 4 灌溉控制设计 农作物的健康生长由多种环境 因子制约 不同的农作物最适宜的生长环境因素还各 具特点 在众多环境因子中 水分更是重中之重 自然 界中任何一个羰基生物都离不开水分的滋润 但水分 的量也要 因地制宜 因材施教 对于农作物而言 只 有适量的水分能让其生长最大化 在本系统设计中 自 动模式下的灌溉控制主要是由温室大棚内的土壤湿度 决定 3 系统应用 管理者与操作者 通过手机端控制大棚设备和查 看大棚内温湿光 小气象站等传感器信息 用户在这里可以实时监控所有大棚内设备的运行 情况 大棚内温湿光 二氧化碳 土壤温湿电导率 土壤 氮磷钾的实时数据 用户当地的天气预报情况和大棚 周边视频监控情况等 做到对大棚数据全掌握 并在大 棚数据异常的情况下 及时通过监控平台进行报警 通 知用户及时处理 减免损失 可以远程控制大棚内设备 运行 做到第一时间处理现场情况 安全可靠 中央监控平台在用户大屏控制中心提供一个全方 位的监控中心 集中管理 一目了然 各种大棚数据可 以集中监控 如发现异常会及时报警 中央远程控制平 台如图1所示 图 1 中央远程控制平台 4 结束语 发展适度的规模化生产管理与采用智能化的温室 大棚是我国现代农业发展的方向 本文以基于物联网 技术的温室大棚环境智慧控制系统为研究对象 通过 数据与测试阐述了温度 空气湿度 土壤湿度和光照强 度浓度环境因子对农作物生长的影响 本系统设计基 于传感器对温室大棚内不同环境因子数据的采集 对 温室大棚内风机 水泵 补光灯等相关执行器设备进行 远程控制等功能设计 参考文献 1 张冰 余艳伟 鲁绍坤 等 基于物联网的集散控制系统在温室 群环境监测控制中的应用 J 江苏农业科学 2018 46 13 226 231 2 李可欣 郑源 陈跃钢 等 基于微水发电系统的智慧农业物联 网设备研发及应用 J 排灌机械工程学报 2022 40 11 1173 1180 3 潘小红 杨志勇 基于物联网技术的温室大棚种植园环境监测 系统 J 现代电子技术 2019 14 127 130 4 尚明华 胥兆丽 尹志豪 等 基于物联网的温室大棚一体化控 制系统的设计 J 山东农业科学 2018 50 10 142 146 5 胡开明 刘薇 付志坚 基于物联网智能温室大棚控制系统的 设计 J 自动化技术与应用 2021 10 64 67 8