基于IoT平台的智能温室大棚测控系统实现.pdf

2020 年 34 期 众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 基于IoT平台的智能温室大棚测控系统实现 何文静 肖紫芸 肖玲玲 江西理工大学 信息工程学院 江西 赣州 341000 前言 我国作为人口大国 对于粮食的需求量十分大 不断 增长的人口 有限的土地资源 使得农业在我国是重要的 支柱型产业 对我国的经济发展有着决定性的影响 1 21世 纪以来随着我国农业的发展 国家对于农业生产技术的大 力投入推广 大棚技术不断在农业生产中普及 农户对温 室大棚的使用不断增加 从而导致温室大棚在我国现代农 业成产中的比重日益增长 温室大棚对于蔬菜 花卉为主 的植物栽培有着重要的作用 其产业被看作21世纪活力 的新型产业之一 对于传统农业而言 农植物的成长严重依赖于自然天 气 而我国大部分地区的气候对于农植物的生长有着很大 的约束 严重限制了农植物的产量和生长周期 温室大棚 可以为农植物提供适宜的生长环境 2 避免外界自然环境 变化和自然灾害来临导致的对农植物生长的不良影响 减 小农植物对于外界环境的依赖 并且利用冬季自然光能生 产优质反季节产品 增长农植物的生长周期 温室是农植 物在栽培中最重要的环境条件 而温室的重要参数空气中 的温度和湿度 光照强度等 3 不同种类的植物物种对于温 度和湿度的要求不相同 为了最终成长而成的蔬菜或花卉 等农植物品相好 使得农植物商品不受外界条件的限制 满足现在居民生活水平 促使农户的利益最大化 保证适 宜的 良好的生长环境至关重要 温室大棚的用户对象是农户 开发低成本的温室大棚 温湿度控制系统至关重要 现如今物联网是现代信息技术 发展到当今阶段的必然产物 智能农业成为发展趋势 社 会经济发展到现阶段的新要求 4 5 将现代化计算机技术 物联网技术结合单片机技术用于控制温室环境 可以远程 加自动控制大棚内的温湿度等因素 减少人工成本 把农 户从大棚农作中解放出来 随时随地监控室内温湿度 及 时调控室内温湿度等重要环境参数 保证农植物始终处于 最佳生长状态 将控制失误成本降低 1 系统设计方案 1 1 系统硬件总体设计 基于物联网平台的大棚温湿度自动控制系统以 STC12C5A60S2单片机为控制芯片 5V电压供电 通过相 应的传感器实时检测大棚内环境参数数据并将数据通过 A D电路进行采样 量化 编码后实时显示出来并通过 WiFi上传到物联网平台 系统如图1所示主要分为检测模 块 显示模块 通信模块和控制模块 检测模块分为按键检 测单元和大棚环境参数检测单元 大棚环境参数检测单元 由温湿度检测 光照强度检测和土壤湿度检测构成 用于 检测大棚内环境实时参数 显示模块主要实现LCD1602液 晶屏和云平台实时显示系统检测的环境参数 WiFi模块由 摘 要 随着农业设施的发展 温室大棚在农业生产中的地位越来越重要 温室大棚的运用有效降低了外界环境对农植物生长带 来的恶劣环境 是提高农植物的生长周期与产量的有效途径之一 在农植物种植过程中 大棚环境的控制对于种植的农植物的生长状 况至关重要 文章设计的温室大棚温湿度自动控制系统使用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片 通过ESP8266和TCP协议实现单 片机与移动设备的通信 用户可以通过系统自带的LCD1602液晶显示屏或移动设备查看实时环境参数 系统支持手动按键设置自动 控制范围和通过移动设备登录物联网平台的网页 APP或者微信公众号查看环境参数远程调控环境两种方式去使温室环境恒定 关键词 STC12C5A60S2 ESP8266 TCP协议 物联网 LCD1602 中图分类号 TP273 文献标志码 A 文章编号 2095 2945 2020 34 0039 03 Abstract With the development of agricultural facilities greenhouse plays an increasingly important role in agricultural produc tion The use of greenhouse effectively reduces the adverse environment of the external environment for the growth of agricultural plants and is one of the effective ways to improve the growth cycle and yield of agricultural plants In the process of planting plants the control of greenhouse environment is very important for the growth of plants The temperature and humidity automatic con trol system of greenhouse designed in this paper uses STC12C5A60S2 single chip as the control chip and realizes the communication between the single chip and the mobile device through ESP8266 and TCP protocol Users can view the real time environment param eters through the LCD1602 LCD or mobile device provided with the system The system supports manual buttons to set up automatic control range and mobile devices to log in the Internet of things platform web pages APP or WeChat official account to see environ mental parameters remote control environment two ways to make the greenhouse environment constant Keywords STC12C5A60S2 ESP8266 TCP protocol Internet of Things IoT LCD1602 作者简介 肖玲玲 1960 男 硕士 教授 研究方向 信号处理 39 2020年 34期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application ESP8266芯片实现WiFi功能 该模块通过TCP通信协议 让单片机与物联网平台实现双向通信 控制模块由加温控 制 水泵控制和风扇控制构成 通过该模块实现对大棚内 环境参数的自动控制和云控制 图1 本文系统硬件总设计 1 2 系统软件总体设计 系统软件的实现主要是使用keil软件编程系统代码 以及用tlink网站搭建物联网平台 keil程序代码如图2所 示主要分成延迟处理 A D转换 串口通信 按键设置 传感 器设置 LCD1602设置和WiFi设置 将部分参数设置与 tlink相关联 通过各函数的相互作用实现系统的功能 图2 本文系统软件总设计 2 系统设计原理及运用 2 1 STC12C5A60S2单片机 STC12C5A60S2单片机是新一代8051系列双串口的 单时钟 机器周期 1T 的单片机 具有高速 低功耗 强抗干 扰能力等特点 它是STC89C52的升级版芯片 传统的 8051指令代码可以完全兼容于该单片机 该芯片的工作电 压在3 3V 5 5V 工作频率范围在0 35MHz 该芯片用户最 高可以应用的程序空间为62K字节 芯片的IO端口共有 40个 IO端口有四种工作模式 分别为弱上拉 强上拉 输 入 高阻和开漏 该芯片自带A D转换电路 不用在外加 AD转换电路 它含有两个全双工串行通信接口 串口通信 功能比较强大 与STC89C52单片机相比 STC12C5A60S2 单片机的读取处理速度更快 是STC89C52单片机的8 12 倍 其自带A D转换电路和PWM 比STC89C52单片机多 了两个定时器和一个串口 增加了PCA定时器 且内部有 EEPROM 带电可擦可编程只读存储器 掉电后数据不会 丢失 2 2 土壤湿度数据处理 本文设计的系统采用的是运用电容感应原理工作的 土壤传感器 它避免了传统土壤湿度传感器易被腐蚀的缺 点 在使用该传感器前要进行一个干湿度校准操作 该操 作主要通过分别读取传感器在空气中和水中的数值来限 定土壤湿度检测的测量范围 在矫正代码烧录到板子中 后 将传感器放置在空气中读取模拟值X 1 代表干燥的时 候的读数 百分比设定为0 接着将传感器插入水中读取 模拟值X 2 代表潮湿环境下的值 百分比设定为100 对 获取的两个干湿度校准数据用线性直线 y kx b拟合 其 中y表示土壤湿度百分比 x表示实时土壤湿度的值 斜率 k X 2 X 1 100 截距b X 1 100 采用的土壤传感器在空气中读取的模拟值X 1 2 13 在水中读取的模拟值为X 2 1 35 通过计算得到拟合的线 性直线方程为y 213 78x 程序设计中令土壤传感器通过AD模数转换获取的数 字信号的值为 tmp 由上文可知 本文系统的DA数模转换分辨率为 LSB FS 2 10 1 供电电压为5V 则经过DAC后得到的模拟信号的值 Voltage tmp 5 2 10 2 将该值放入拟合的线性直线方程中即可得到大棚内 土地中的实时土壤湿度百分比 2 3 WiFi设置 2 3 1 4G通信技术 4G通信技术即第四代移动信息系统 它是从3G通信 技术的基础上发展而成 它结合了3G通信技术和WLAN 技术两者的优点 并大幅度提升了通信速度 上网速度以 及数据传输速度等 4G通信技术的高速让物联网变得可 以实现 物联网开始兴起 2 3 2 TCP协议 现在的Internet的主流协议族为TCP IP协议族 这是 一个分层 多协议的通信体系 TCP IP协议族共分为四层 协议系统自上而下依次分别是应用层 传输层 网络层和 数据链路层 每一层通过对应层的协议完成各自不同的功 能和任务且封装后给上层协议提供服务 TCP协议是该协议族中传输层的一个常用的协议 它 比该层协议之一的UDP协议更加可靠 它主要通过超时 便重传数据的方式确定接受端给应用层提供了端对端 可 靠的基于流的协议服务 给通信双方提供一个稳定的连接 道路 TCP协议将数据流分割成一段报文段 并给每个报 文段确定序号确保数据发送正确 2 3 3 TLINK物联网设置 TLINK物联网是一个面向物联网产品的开放平台 它 提供网页端 APP和微信公众号三个平台供用户登录查看 和控制单片机设备 系统WiFi物联网页面设置通过网址https www tlink io 进入TLINK网页端 添加名字为大棚温湿度自动控制系 统的设备 并将设备的链接协议设置为TCP协议 在该设 40 2020年 34期 众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 即AQI分类 集中在第 III类 其它类别较少 4 模型评价 采用传统的KNN算法 效果不佳 并且泛化能力弱 采用反距离加权的KNN算法 明显提高了模型的分类正 确率 同时 使用k 折交叉验证可以有效提高模型的泛化 能力 下一步研究考虑的方向 1 搜集的样本数据集的数量足够且保持均衡 2 样本属性数据的处理 当样本属性数量较多时 不 同属性的重要程度也不是一样的 可以考虑属性加权或者 是采用主成分分析进行降维处理 参考文献 1 CHEN Y SHI R SHU S et al Ensemble and enhanced PM10 concentration forecast model based on stepwise regression and wavelet analysis J Atmospheric Environment 2013 74 346 359 2 刘杰 杨鹏 吕文生 等 模糊时序与支持向量机建模相结合的 PM 2 5 质量浓度预测 J 北京科技大学学报 2014 36 12 1694 1702 3 杨锦伟 孙宝磊 基于灰色马尔科夫模型的平顶山市空气污染物 浓度预测 J 数学的实践与认识 2014 44 2 64 70 4 陆志涛 周鹏 吴菲 基于RAM拓展模型的我国城市空气质量 评价 J 环境经济研究 2017 2 2 93 107 5 贺金龙 吴晟 周海河 等 基于GM 1 1 PCA的环境预测与分 析研究 J 信息技术 2018 1 105 109 6 姜孪娟 BP神经网络算法在空气质量预测中的应用 以江苏 为例 J 信息与电脑 理论版 2018 24 69 70 73 7 生态环境部 环境空气质量指数 AQI 技术规定 试行 EB OL 中华人民共和国生态环境部 2012 03 02 2019 8 24 http www 备下添加四个数值型传感器和三个开关型传感器 其中四 个数值型传感器分别命名为温度 湿度 光照强度和土壤 湿度 用来显示大棚内系统硬件检测的大棚对应的实时环 境参数 三个开关型传感器命名为风扇 加热和抽水 分别 用来打开或关闭控制风扇 加热器和水泵开关的继电器 将传感器单位 精度等设置好后保存设备 接着给该设备 设置协议标签 本文系统设置的协议标签数据头标签 H 和 结束符标签 T 都为 分隔符 S 为 最终编辑的协议 为 H D S D S D S D S D S D S D T 最后将设备的序列号复制到 代码对应位置 完成物联网平台的设置 3 系统实验结果 将系统用USB连接电脑给系统提供电源 然后用适量 的土壤裹着土壤干湿度传感器模仿土地环境 打开系统 通过手机微信端进入TLINK小程序对系统进行实验 实验 结果如图3所示 数据显示系统运行正常 4 结束语 系统设计是根据我国目前温室大棚的现状与需求给 出的方案 可以用来针对目前运行的大型联动传统温室控 制系统进行提升改造作参考 系统具有较高的性价比 系 统采用的硬件材料可靠 便宜 系统整体成本低 也适合大 多数独立种植的农户中推广 它结合了目前移动设备的普 遍性和便利性 支持手动按键方式和远程控制方式两种方 式 其中远程监控主要通过ESP8266和TCP协议实现将放 置在大棚内的系统以4G网络与移动设备建立通信连接 让用户脱离大棚 远程对大棚参数进行监控 减少人工的 负担 对提过生产效率具有较好的实际意义 参考文献 1 孙庆波 鲍忠宇 基于单片机的温室大棚湿度监测和控制系统设 计 J 中外企业家 2018 33 137 2 薄英男 温室大棚环境监测系统的设计与实验 D 新疆农业大 学 2017 1 2 3 雷长根 李昆仑 付若松 智能温室大棚节水灌溉系统的设计 J 电子制作 2020 26 Z1 24 25 4 韩毅 基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究 D 太 原理工大学 2016 2 3 5 刘锦 温室大棚智能监测系统 J 南方农机 2020 51 06 28 29 图3 上接38页 41