基于物聯網的智能溫室大棚控制系統設計

閆浩然，張賀龍，王建強，2

(1.河北水利電力學院 自動化與通信工程學院，河北 滄州 061000；2.河北省高校水利自動化與信息化應用技術研發中心，河北 滄州 061001)

0 引言

現階段，物聯網在智能大棚方面的應用多集中于操控單一農作物的溫室大棚，且多為復雜的大型系統，成本高昂。而該方面的研究投入對于有更高要求的多種農作物栽培的智能溫室來說目前相對不足。傳統的多農作物農業生產大棚往往面臨監管不當，沒有及時的澆水施肥，跟不上農作物的生長需求等多種問題；為了開發更加靈活適應多農作物的農業大棚，設計了具有觸摸屏操控，手機APP檢測的智控大棚，其具有全方位的數據監控，保障作物生長的各項所需，自動化操作，提高農業的效益和競爭力；智控大棚結合大數據、物聯網、多元化結構來實現靈活種植的功能，在同一片區域，根據不同農作物的土壤需求改變參數，兼具選擇性和適應性。該項目在調研河北省普通農戶種植大棚情況的基礎上，重點研究智能物聯網技術在大棚中不同農作物的種植應用，并考慮其擴展性。將智能控制應用于溫濕度控制、施肥噴藥、自動卷簾等工序。設計小型智能控制系統，重點研究其靈活性、可移植性、擴展性并最大程度降低成本。通過無線傳感技術構建溫室大棚的數據無線傳感網絡，利用WiFi、紅外等通信技術實現數據的采集傳輸，實現現場監控設備、觸摸屏、手機之間的實時數據交互。通過智能設備的接入，由手機端通過相應的小程序或者APP進行操控，從而方便、快捷、經濟地實現小型溫室和微型溫室的智能控制。

1 大棚控制系統硬件設計

系統的硬件結構圖如圖1所示。

圖1 大棚控制系統硬件結構圖

控制系統硬件包括檢測模塊，主控單片機使用arduino mega2560板，采用modbus485通信模塊和ESP8266WiFi無數據線傳輸，并由觸摸屏及終端控制外設配套繼電器控制設備等構成。

1.1 檢測模塊

檢測模塊由液位高度感應器、溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光強傳感器、激光紅外復合型的發送與接收器、氣體臨界值二氧化碳含量感應器和液位高度感應器構成。檢測模塊測量的主要參數是溫度和濕度、二氧化碳濃度數值、液位高低等。測量溫濕度的傳感器采用數字溫濕傳感器DHT11，數字信號方便直接在單片機上處理加快反應的準確性和快速性。

1.1.1 DHT11

數字型相對溫度濕度感應器(DHT11)是一個檢測溫度高低與周圍水分濕潤程度的復合感應器,并帶有校準結構的數字信號輸入輸出。擁有可通過獨特的數碼模塊收集溫濕度數據的效果,保證了產品的高可靠度和良好的長久工作穩定性。該感應器分為電阻型溫度濕度傳感器和NTC量化感應器。DHT11的數據引腳主要用于微處理器與DHT模組間的通訊與同步。通過單總線數據信息格式,每次的通訊時間大約為4 ms，當MCU發送啟動信號和DHT11響應信號定時一致時，可進行精確測量。此系統采用數字口D9接入DHT11數據傳輸口，傳感器正極和負極與單片機上的正極和負極一一對應，上電的同時數據同步采集到單片機中，并通過串口查看所需要的消息，采用的波特率是115 200 Bd。

1.1.2 土壤傳感器

選用的傳感器是LM393芯片的水土溫濕度控制模塊,是一種簡單的水份傳感器，可用來檢測土壤中的含水率,表層鍍鎳而不宜銹蝕,可延長工作壽命,且傳感器產品覆蓋面廣，增加了導電性能。模塊化雙輸入輸出模型,擁有更簡單的數字輸入輸出和更準確的模擬輸出。本系統使用了LM393芯片,工作平穩,信號清晰。模塊藍色電位計用于調整土壤濕度的閾值。如果順時針調整，受控濕度將增加，反之降低。D0為單片機的數字口，土壤傳感器三個引腳中的數據口和D1連接，傳感器的正負極分別和arduino單片機的正負極相連，此時若需要拓展電源，依然可以用數字口通過軟件編程實現穩定的高電平。當土壤溫濕度未超過預設閾值時,通過D0端口產生高電平,當土壤溫濕度高于預設閾值時,通過D0端口產生高低電平有效。而數字出口的D0可與單片機相連,單片機也可測量高低電平是否有效,從而測量土地溫濕。主板模擬輸出的A0可與AD模塊直接相連,利用AD轉換技術可以得到更精確的土地溫濕數值。接線如圖2。

圖2 土壤濕度傳感器接線圖

1.1.3 光照傳感器

光照傳感器是一種將照明轉換為電信號的傳感器，其輸出數值測量單位為勒克斯。光是光合效應所需要的基本條件，在一定條件下,當光照強度增大時,光合作用效率就會提高,而當光照強度達到最大時,植株葉片上的空氣洞就會封閉,因此光合作用力度就會降低。所以，使用光線傳感器技術調節光線已成為影響經濟作物生產質量的主要方式。該系統中采用的arduino單片機與Risy GY-302光照傳感器數據傳輸，將ADDR懸空后，正負極和數據線相連接，采用模擬信號的輸入時連接arduino上的A0口即可，接線圖如圖3所示。

圖3 光照傳感器接線圖

1.1.4 二氧化碳濃度傳感器

傳感器SGP30用來檢測二氧化碳含量、室內空氣質量(氨)氣體，SGP30是一個金屬氧化物的氣體感應器,在一個芯片上擁有多種感應器元素,整合了4個氣體感應器元素,并且擁有可完全校準的空氣質量輸出信號(MQ系列傳感器對氣體的區分度有一定的閾值，可以備選)。SGP(30型)是一種數字傳感器，直接使用I2C接口進行數據采集，數據線為DATA與單片機的數字口連接，此系統溫度采集采用onewire連接，VPD拉高，NC懸空，C-W接地即可，接線如圖4所示。

圖4 空氣質量傳感器接線圖

1.2 主控單片機

ArduInO Mega2560核心主控電路板,擁有54個數碼I/O通道,適合需要大量輸入輸出設備接口的設計；系統采用兩種arduino型號進行設計，2560提供了強大的I/O接口，而UNO可以降低成本，實現多個網絡應用[1]。

1.3 無線聯網模塊

無線物聯網模塊采用的是ESP8266，其封裝了大量通信指令，使用Lua腳本為編寫語言。該智控大棚運用無線聯網模塊，聯通單片機和云端的接口，進入公網onenet，在單片機接收到DHT11發來的數據后，打包后發送到上位機，用戶在云端上看到數據顯示。而二氧化碳濃度、光照強度等值都可以通過無線聯網模塊上傳到上位機，該大棚實現了在云端檢測數據。該智控大棚不僅需要公網還要局域網的參與控制。

1.4 上位機觸摸屏控制

MCU采集的傳感器數據僅暫時存儲于寄存器中。要實現單片機和觸摸屏之間的信號交換,就必須進行單片機和觸摸屏之間的通訊。研究中使用了modbus485通信,由于MCU引腳輸出為TTL級,讀寫插針并不能直接與觸控式通信。因此需要一個TTL-to-RS485輸入輸出電平轉換模塊,其RX引腳直接與MCU的TX插針相連。在大棚中對各種參數進行設置和調動，直接對觸摸屏操作，提高效率[2]。觸摸屏的添加使整個系統更加靈活，操作更加方便簡單，利用總控制板實現通過觸摸屏控制大棚內部一切設備的活動及動作的觸發，也可采用人為控制。硬件流程圖如圖5。

圖5 系統硬件流程圖

2 系統軟件設計

系統的軟件設計包括單片機控制設計程序、移動端顯示軟件設計和觸摸屏組態程序三部分。

2.1 單片機控制

控制系統的工作原理是通過測量模塊將測得的溫度和液位值發送到核心板上,并保存到特定的寄存器中。觸控式和核心板間的聯系采用modbus485協議進行,通過觸控式讀出特定輔助寄存器的監控數據并即時顯示在觸摸屏上,并通過管理策略改變單片機或微型計算機中相應輔助寄存器的數值，從而實現控制繼電器參數閾值的目的。繼電器和應用系統直接相連,繼電器控制的應用系統主要包括控制小型電加熱器中的接觸器及自動泵、電氣控制閥等。單片機控制器程序結構如圖6所示。

圖6 程序連接外設

2.2 觸摸屏通信設計

觸摸屏通信是整個系統的重要控制觀測單元之一。研究過程使用了MCGS的TPC7062TX7顯示器。MCU測量了各個元件的溫度數值,然后將其傳送至觸摸屏。觸摸屏通過系統時間確定管理策略,并將控制數據傳給MCU的控制繼電器。傳感器將采集的溫度、液位等數據,臨時保存在MCU寄存器中。用于完成接觸屏設備和單片機之間的信號交換,使接觸屏讀取設備的通道和單片機的寄存器相對應,并設置為相同的數據格式[3]。操作界面如圖7所示。

圖7 組態觸摸屏界面設計

為方便控制系統設計，采用了Arduino MCU中的輔助寄存器/1-/200用作數據信息臨時存儲的寄存器,并把觸控屏的數據信息格式設定為四區雙字節數據讀寫類型,帶有一些數據集，如圖8所示。

圖8 數據型設定

2.3 移動端軟件設計

軟件顯示和檢測操控，主要是由esp01s提供的數據，其主要的芯片是ATMEGA2560-16AU-100TQFP作為載體，用esp8266ex作為傳遞數據的主芯片。發射模塊主要是把溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度打包上傳到上位機，在云端可以檢測到用戶所得的數據。上位機方面，在上位機設置APP的格式，手機軟件即可在界面查看數據?？刂撇糠挚梢岳檬謾CAPP在云端控制相應地裝備，設計按鈕觸發控制繼電器、電機和風機。在系統上有一個參數，是智能控制的一層保障，第二層就是用戶的手機APP控制，只要連上公網，即可實現遠端操控。

軟件開發是通過Android studio設計，可通過接受云端數據、數據圖像化與云端通訊等控制外設。

3 系統特點

3.1 環境監測

在大棚內,可實時檢測室內空氣、土壤的溫度濕度、光照強度、超臨界二氧化碳含量及土壤酸堿度等植株的生長發育環境,進行數據上傳、存儲和共享。

3.2 智能調節

上傳的實時數據達到既定閾值，自動執行施肥灌溉、調溫調濕、通風、遮陽、光照等指令。

3.3 數據交互

可通過大棚內置液晶屏墻或手機APP查看調取棚內植物生長環境數據，并人為發送指令進行植物生長環境調控(遠端操控)，項目展示如圖9所示。

圖9 APP界面管理

3.4 資源利用

通過太陽能板將太陽能轉化為電能進行存儲，實現資源的高效利用。

3.5 方便操作

觸控式顯示器,擁有結構簡單、直觀、圖形清晰、堅固耐用、節約空間等優勢，用戶僅需要通過手指來觸動顯示屏上的相應圖標或文字,即可運行系統并且查詢到主機地址位置，實施相應的動作指令，因無須鍵盤和鼠標操控,極大地提高了計算機系統的可操作性與安全性,使人機交互變得更加直觀和便于使用，也可手指觸動計算機屏幕上的相應按鍵，進入信息頁面。

4 效果分析

傳統的大棚對生產農作物效益并不理想,原因主要是對濕度、冷熱、光線、施肥用水等控制精準度不足,而該智能溫室大棚針對上述問題進行優化，實現了完全自動化智能管理,并經過不同參數設計,使智控蔬菜大棚控制系統的穩定性、靈敏性、精準度等都獲得了全面改善,降低了勞動力成本，有效提高了效率。該系統實現了全天候實時在線監測、操作。同時在大棚中增加觸摸屏現場操作功能，實現了多方式通信。該智控大棚投入少、效率高、操作方便經濟實惠，在現代化農業生產中，非常值得推廣和應用。