物聯網下農業溫室大棚監管系統設計
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摘要：筆者設計了一種基于物聯網的農業溫室大棚監管系統，該系統通過一系列傳感器實現對溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據的實時采集。將數據發送至STM32F103C單片機控制系統中進行處理分析，同時利用WiFi通信模塊配合MQTT協議接入OneNET云平臺，完成與客戶端的數據交換，用戶可通過移動終端作為人機界面進行監控，發送遠程命令控制執行設備調節棚內農業生產參數。試驗結果表明，該系統具有穩定可靠、監控效果好、成本低等優點，能有效提高農業大棚種植的科學化和智能化控制水平。
關鍵詞：智慧農業；溫室大棚；物聯網；傳感器；云平臺
我國農業正逐步從傳統農業向數字農業、智慧農業邁進[1]，加快突破農業關鍵核心技術，扎實推進農業現代化，是智慧農業發展的關鍵[2]。農業溫室大棚智能化監控是實現農業現代化的重要途徑，而現行的大部分溫室大棚管理理念落后，行業發展水平低，缺乏一套完善、規范的生產管理體系，農業設施化水平低導致資源利用率低。在農業生產過程中，對氣溫、光照、土壤含水量等指標難以科學監測和分析，不能準確把控作物生長過程中各種養料的施加量，影響了農業種植效益。基于此，筆者設計了一種基于物聯網的農業溫室大棚監管系統，該系統采用STM32為主控芯片，與系列傳感器連接，實時監測溫室大棚內各環境參數，及時調整大棚內環境參數以達到設定標準，實現調節生長周期、提質增產目的[3]。
1系統總體設計
本系統采用STM32F103C處理器作為控制單元，利用各種傳感器來采集大棚內的溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等大棚環境數據。系統分為自動控制和手動控制兩種工作模式，自動工作模式是指控制系統將采集的數據值與提前設置好的閾值范圍相比對，如果采集的數據值超出設置范圍，將自動控制執行設備以調節溫室大棚環境參數，無需人工操作；手動控制模式是指用戶根據采集的數據進行判斷，手動發出指令來控制執行設備執行一定動作。基于物聯網技術框架的農業溫室大棚監管系統由感知層、傳輸層和應用層三層結構組成[4]，整體系統設計架構圖如圖1所示。感知層是整個系統的基礎，主要功能是利用傳感器來獲取農作物生長環境情況，完成對溫室大棚環境內各項數據的采集[5]；傳輸層則將感知層采集的數據發送給應用層，并將上層發送的控制指令送達感知層；應用層是整個系統最重要的部分，它處理接收到的傳感器數據，并將處理結果上傳OneNET云端，使用戶能在移動終端或網頁上訪問云平臺，遠程監測大棚內的作物環境情況與控制大棚系統設備。
2系統硬件設計
農業溫室大棚監管系統主要由數據采集模塊、數據傳輸模塊、控制模塊、執行設備模塊、電源模塊組成，系統硬件組成圖如圖2所示。先通過傳感器完成對大棚各項環境數據的采集，再經A/D轉換將模擬量轉換為數字量；STM32F103C單片機是系統的核心，為系統功能的完善與開發提供了強大支撐；然后借助ESP8266WiFi設備模塊來實現數據的上傳和指令的下達；電源模塊為系統供電，保證系統的可靠運行。
2.1數據采集模塊
在農作物的生長過程中，空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度以及光照強度是影響其長勢的重要環境因素[6]，獲得這些環境參數并加以適當調節有利于農作物的良好生長。而大棚環境數據的實時采集需要依賴相應傳感器來實現。本系統選用DHT11傳感器采集空氣溫濕度數據，選用YL-69傳感器采集土壤濕度數據，選用MH-Z14A二氧化碳傳感器采集空氣中的二氧化碳濃度數據，選用BH1750FVI光學傳感器采集光照強度數據。
2.2數據傳輸模塊
WiFi數據傳輸模塊以ESP8266為核心芯片，ESP8266的尺寸為16mm*24mm*3mm，模塊采用3DBi的PCB板載天線。ESP8266具備無線上網功能，可以通過配置與單片機上的UART串口進行通信﹐為網絡覆蓋提供了可能，且集成化的芯片提高了處理速度[7]。該WiFi模塊主要是將傳感器采集到的實時數據傳輸給控制模塊，并將采集到的信息經過處理上傳到OneNET平臺。
2.3控制模塊
控制模塊是系統的核心，負責數據分析和控制各個模塊。系統采用STM32F103C單片機，使用的是STM32單片機的最小系統，在其使用過程中不用搭載其他電路，焊接電路時可直接進行連接。STM32F103系列單片機為Cortex-M3內核，具有多個外設接口，包括GPIO口、A/D轉換、串口通信、DMA等，單片機上資源十分豐富，穩定性好[8]。
2.4執行設備模塊
系統執行設備包括加熱器、加濕器、卷簾等。控制模塊通過分析傳感器模塊獲得的數據，發出加熱、加濕、補光等電信號，WiFi模塊傳輸信號使繼電器動作，通過繼電器對各執行設備進行控制，營造出適宜農作物生長的溫室大棚生產條件。繼電器是一種電控裝置，其通常作為控制元件，有擴大控制范圍的效果[9]，繼電器可根據信號控制執行設備的開關狀態，進而實現農業的自動化作業。
2.5電源模塊
系統設計的電源供電分為5V供電和3.3V供電，數據采集模塊、直流電機等輸入電壓是5V。經過LD1117芯片后，將電壓降為3.3V，此電壓可以供控制電路MCU使用，在使用上采用太陽能光伏板供電。
3系統軟件設計
本系統根據所需功能以及采用的STM32F103C微控制器進行了軟件設計，在Keil編程軟件里利用C語言完成對程序的編寫。主程序主要從數據采集程序、數據傳輸程序和控制執行程序三個部分展開設計，系統軟件設計流程圖如圖3所示。先對系統進行初始化，發送初始信號，各傳感器模塊收到信號后給予響應，開啟工作模式，逐步采集環境中的數據信息。單片機模塊通過無線通信模塊串口與云平臺通信，傳感器采集到的數據將會在設計好的監控界面得以展示，同時用戶可點擊相關操控按鍵發送控制指令至服務器，服務器接受指令下達給執行設備，然后將執行結果返回客戶端。
3.1數據采集
各傳感器采集溫室內環境參數時，先上電初始化，等待來自控制器的請求數據信號，收到請求信號后將采集的數據由模擬信號轉換成數字信號，并通過串口發送至控制器，然后開始等待下次采集。環境數據采集流程圖如圖4所示。3.2數據傳輸單片機通過UART串口向ESP8266模塊發送AT指令配置進行通信，系統成功加入無線通信網絡后，數據傳輸系統將傳感器采集信息，設備工作狀態信息經過處理以數據報文的形式傳送至云平臺，云平臺也可以反向發送指令數據給單片機執行一些控制操作[10]。
3.3控制執行
傳感器采集到的數據信息經處理與設置閾值進行比較，根據比較結果執行機械動作，使溫室環境參數時刻保持在設定范圍內。用戶也可根據監控情況遠程發送指令來控制繼電器，進而控制現場設備。執行設備的具體工作流程圖如圖5所示。
4云平臺的搭建
本農業溫室大棚監管系統選用的終端應用平臺是OneNET平臺。OneNET是中國移動為廣大開發者打造的免費物聯網云服務平臺，能快速接入傳感器等設備和接收、儲存采集數據。農業管理工作人員可以隨時在移動終端查看作物相關數據信息。用戶按照系統提示進行操作即可將終端設備接入OneNET云平臺。本系統添加產品時聯網方式選擇WiFi，設備接入協議選擇MQTT。OneNET平臺接入設備流程如圖6所示。
5結語
本研究結合物聯網技術、無線通信技術、自動控制技術設計了一套智慧農業溫室大棚監管系統，較好地彌補了傳統溫室大棚調控不及時、監測環境參數單一等缺點，系統利用硬件設備和軟件設計相結合，實時監測大棚內空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度等數據，進行環境參數的自動調節，可以對溫室大棚環境進行精準調控；同時用戶能夠根據采集的數據對作物的生長環境進行調整，實現農作物的精細化管理，降低種植成本，增加農戶收益。該系統能有效提高農業生產效率，為服務農業生產提供更多選擇，具有良好的應用價值與發展前景。
作者:陳昊晟 單位:華北水利水電大學