基于物联网的农业温室大棚监管系统设计*

陈昊晟

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

我国农业正逐步从传统农业向数字农业、智慧农业迈进[1]，加快突破农业关键核心技术，扎实推进农业现代化，是智慧农业发展的关键[2]。农业温室大棚智能化监控是实现农业现代化的重要途径，而现行的大部分温室大棚管理理念落后，行业发展水平低，缺乏一套完善、规范的生产管理体系，农业设施化水平低导致资源利用率低。在农业生产过程中，对气温、光照、土壤含水量等指标难以科学监测和分析，不能准确把控作物生长过程中各种养料的施加量，影响了农业种植效益。基于此，笔者设计了一种基于物联网的农业温室大棚监管系统，该系统采用STM32为主控芯片，与系列传感器连接，实时监测温室大棚内各环境参数，及时调整大棚内环境参数以达到设定标准，实现调节生长周期、提质增产目的[3]。

1 系统总体设计

本系统采用STM32F103C 处理器作为控制单元，利用各种传感器来采集大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等大棚环境数据。系统分为自动控制和手动控制两种工作模式，自动工作模式是指控制系统将采集的数据值与提前设置好的阈值范围相比对，如果采集的数据值超出设置范围，将自动控制执行设备以调节温室大棚环境参数，无需人工操作；手动控制模式是指用户根据采集的数据进行判断，手动发出指令来控制执行设备执行一定动作。

基于物联网技术框架的农业温室大棚监管系统由感知层、传输层和应用层三层结构组成[4]，整体系统设计架构图如图1 所示。感知层是整个系统的基础，主要功能是利用传感器来获取农作物生长环境情况，完成对温室大棚环境内各项数据的采集[5]；传输层则将感知层采集的数据发送给应用层，并将上层发送的控制指令送达感知层；应用层是整个系统最重要的部分，它处理接收到的传感器数据，并将处理结果上传OneNET 云端，使用户能在移动终端或网页上访问云平台，远程监测大棚内的作物环境情况与控制大棚系统设备。

图1 系统总体设计架构图

2 系统硬件设计

农业温室大棚监管系统主要由数据采集模块、数据传输模块、控制模块、执行设备模块、电源模块组成，系统硬件组成图如图2 所示。先通过传感器完成对大棚各项环境数据的采集，再经A/D 转换将模拟量转换为数字量；STM32F103C单片机是系统的核心，为系统功能的完善与开发提供了强大支撑；然后借助ESP8266 WiFi设备模块来实现数据的上传和指令的下达；电源模块为系统供电，保证系统的可靠运行。

图2 系统硬件组成图

2.1 数据采集模块

在农作物的生长过程中，空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度以及光照强度是影响其长势的重要环境因素[6]，获得这些环境参数并加以适当调节有利于农作物的良好生长。而大棚环境数据的实时采集需要依赖相应传感器来实现。本系统选用DHT11 传感器采集空气温湿度数据，选用YL-69 传感器采集土壤湿度数据，选用MH-Z14A 二氧化碳传感器采集空气中的二氧化碳浓度数据，选用BH1750FVI 光学传感器采集光照强度数据。

2.2 数据传输模块

WiFi 数据传输模块以ESP8266 为核心芯片，ESP8266 的尺寸为16 mm*24 mm*3 mm，模块采用3DBi 的PCB 板载天线。ESP8266 具备无线上网功能，可以通过配置与单片机上的UART 串口进行通信，为网络覆盖提供了可能，且集成化的芯片提高了处理速度[7]。该WiFi 模块主要是将传感器采集到的实时数据传输给控制模块，并将采集到的信息经过处理上传到OneNET平台。

2.3 控制模块

控制模块是系统的核心，负责数据分析和控制各个模块。系统采用STM32F103C 单片机，使用的是STM32 单片机的最小系统，在其使用过程中不用搭载其他电路，焊接电路时可直接进行连接。STM32F103系列单片机为Cortex-M3 内核，具有多个外设接口，包括GPIO 口、A/D 转换、串口通信、DMA 等，单片机上资源十分丰富，稳定性好[8]。

2.4 执行设备模块

系统执行设备包括加热器、加湿器、卷帘等。控制模块通过分析传感器模块获得的数据，发出加热、加湿、补光等电信号，WiFi 模块传输信号使继电器动作，通过继电器对各执行设备进行控制，营造出适宜农作物生长的温室大棚生产条件。继电器是一种电控装置，其通常作为控制元件，有扩大控制范围的效果[9]，继电器可根据信号控制执行设备的开关状态，进而实现农业的自动化作业。

2.5 电源模块

系统设计的电源供电分为5 V供电和3.3 V供电，数据采集模块、直流电机等输入电压是5 V。经过LD1117芯片后，将电压降为3.3 V，此电压可以供控制电路MCU使用，在使用上采用太阳能光伏板供电。

3 系统软件设计

本系统根据所需功能以及采用的STM32F103C微控制器进行了软件设计，在Keil 编程软件里利用C 语言完成对程序的编写。主程序主要从数据采集程序、数据传输程序和控制执行程序三个部分展开设计，系统软件设计流程图如图3 所示。先对系统进行初始化，发送初始信号，各传感器模块收到信号后给予响应，开启工作模式，逐步采集环境中的数据信息。单片机模块通过无线通信模块串口与云平台通信，传感器采集到的数据将会在设计好的监控界面得以展示，同时用户可点击相关操控按键发送控制指令至服务器，服务器接受指令下达给执行设备，然后将执行结果返回客户端。

图3 系统软件设计流程图

3.1 数据采集

各传感器采集温室内环境参数时，先上电初始化，等待来自控制器的请求数据信号，收到请求信号后将采集的数据由模拟信号转换成数字信号，并通过串口发送至控制器，然后开始等待下次采集。环境数据采集流程图如图4 所示。

图4 环境数据采集流程图

3.2 数据传输

单片机通过UART串口向ESP8266模块发送AT指令配置进行通信，系统成功加入无线通信网络后，数据传输系统将传感器采集信息，设备工作状态信息经过处理以数据报文的形式传送至云平台，云平台也可以反向发送指令数据给单片机执行一些控制操作[10]。

3.3 控制执行

传感器采集到的数据信息经处理与设置阈值进行比较，根据比较结果执行机械动作，使温室环境参数时刻保持在设定范围内。用户也可根据监控情况远程发送指令来控制继电器，进而控制现场设备。执行设备的具体工作流程图如图5 所示。

图5 执行设备控制流程图

4 云平台的搭建

本农业温室大棚监管系统选用的终端应用平台是OneNET平台。OneNET是中国移动为广大开发者打造的免费物联网云服务平台，能快速接入传感器等设备和接收、储存采集数据。农业管理工作人员可以随时在移动终端查看作物相关数据信息。用户按照系统提示进行操作即可将终端设备接入OneNET 云平台。本系统添加产品时联网方式选择WiFi，设备接入协议选择MQTT。OneNET平台接入设备流程如图6所示。

图6 OneNET 平台接入设备流程

5 结语

本研究结合物联网技术、无线通信技术、自动控制技术设计了一套智慧农业温室大棚监管系统，较好地弥补了传统温室大棚调控不及时、监测环境参数单一等缺点，系统利用硬件设备和软件设计相结合，实时监测大棚内空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、光照强度等数据，进行环境参数的自动调节，可以对温室大棚环境进行精准调控；同时用户能够根据采集的数据对作物的生长环境进行调整，实现农作物的精细化管理，降低种植成本，增加农户收益。该系统能有效提高农业生产效率，为服务农业生产提供更多选择，具有良好的应用价值与发展前景。