基于“互联网+”的种植大棚智能化远程联动控制系统研究

孔繁庭，李享国

（兰州文理学院 传媒工程学院，甘肃 兰州 730010）

0 引 言

种植大棚智能化远程联控制系统是近些年慢慢发展起来的一种智能、经济、高效的农业种植发展技术，是由传统光照大棚，结合现代计算机技术、传感器技术，对微处理器进行开发而成的一种顺应时代进步的新型农业科技[1]。种植大棚控制主要是根据作物的最适生长环境来控制种植大棚内部的环境，确保作物生长在最适生长环境中，提高作物的产量，减少人工成本[2]。本设计根据未来新式种植型大棚的发展趋势[3]、实用性[4]、经济性、可拓展性方面的考虑，设计出一款对大棚温度、湿度实时监测，并自动完成对大棚上、下卷帘以及上、下通风口，水肥一体机的控制，达到对大棚内部环境的及时补偿。设计出的空间循环式运输系统，大大减少了占地面积，也极大地减少人工运输成本。

本研究是立足于当下农产品种植的痛点难点，进行针对性的考量，并加入后期可拓展功能，可随时代发展而不断拓展进步，该系统可以应用在可食用性农作物周期性栽种，观赏性植物蓄养，时令性农产品养殖等生产型温室，也可进行实用性大规模量产，为农民增产增收。

1 智能种植大棚系统设计

研究的种植大棚系统分为STM32F103C8T6 主控模块、WiFi 模块、补光驱动、步进电机驱动、电机驱动、数据存储、温湿度测量、光照采集、OLED 显示等八大模块。本系统由温湿度测量模块和光照采集模块采集种植大棚内部的土壤温湿度、空气温湿度以及光照度，将采集的数据传输至主控芯片，主控芯片将该数据通过WiFi 模块传输至阿里云并在OLED 显示模块显示，然后再由阿里云传输至云智能APP，实现数据在云智能APP 上显示。系统主体框图如图1所示。

图1 系统主体框图

该系统工作状态有两种模式即自动模式和手动模式，在自动模式时，主控芯片通过种植大棚内部的阈值与实时检测的数据进行对比，然后由主控芯片对补光驱动、步进电机驱动、水泵、运输电机驱动等模块进行驱动，实现对种植大棚的环境补偿。手动模式即在云智能APP 界面进行手动控制，对补光驱动、步进电机驱动、水泵、运输电机驱动等模块实现环境补偿。

2 智能种植大棚硬件设计

本系统电路如图2所示，由电容式土壤湿度传感器模块[5]采集数据，再由STM32 微处理器[6]进行数据处理，0.96 寸OLED 显示模块显示温度。由卷帘电机调节大棚室内温度，当室内温度小于温度设定阈值时卷帘关闭，达到保温功能；当室内温度大于温度设定阈值时卷帘打开，达到降温功能。由光照模块采集光照度数据传输至STM32 微处理器，然后通过补光LED 灯进行光补偿。通过电容湿度模块采集土壤湿度数据并传输至STM32 微处理器进行数据处理，然后通过浇水电机进行土壤湿度补偿。通过DHT11温湿度传感器模块将温室大棚内的湿度数据传输至STM32微处理器并进行数据处理。通过电机正反转来控制大棚的通风口的开合状态而进行湿度补偿。通过控制电机转动操作实现作物在大棚内的运输。通过WiFi 模块连接阿里云[7]，然后通过阿里云将数据传输至手机APP[8]，实现数据交互。

图2 种植大棚控制系统电路图

种植大棚顶部由保温卷帘，上、下通风口等驱动电机控制。如图3所示，该驱动原理为：当室内温度高于温度阈值上限时，图中左侧电机启动带动保温卷帘卷起；当室内温度低于温度阈值下限时，图中左侧电机启动带动保温卷帘放下。当室内湿度高于湿度阈值时，图中右侧电机启动打开上下通风口，反之则实现关闭通风口的操作。

图3 种植大棚棚顶模型示图

种植大棚运输系统设计：针对蔬菜运输，共设计出两款运输模型，第一款如图4所示，参考工厂生产线运输装置，虽能实现作物运输，但会使大棚内部的种植面积减少。因此改进为第二款，如图5所示，采用立柱式空中运输装置，相比于第一款具有更加小的占地面积，更加少的装置生产成本。第二款运输模型采用空中循环式运输架，如图6所示，由电机驱动链条如图7所示，带动悬挂运输篮子的钩子如图8所示，以此实现运输，减少人工运输成本，也减少了运输系统占用种植面积。

图4 第一款运输系统模型

图5 第二款运输系统模型

图6 运输架模型

图7 传送动力装置

图8 作物运输挂钩设计

3 智能种植大棚控制系统软件设计

电源端开始供电，系统开始执行初始化程序判断服务器是否已经连接，若服务器未连接，则执行连接服务器程序并判断服务器是否已连接，直至连接到服务器。当服务器连接已完成则执行主循环程序：执行按键扫描程序；处理服务器下发数据；判断数据更新时间是否达到，若更新时间到则执行更新数据。主系统软件流程如图9所示。

图9 系统软件主流程

3.1 系统控制逻辑

微处理定时器1 中断，控制按键状态每2 ms 读取一次。当存储变量为0XFF，执行更新按键未按下状态；当存储变量为0X00，执行更新按下状态；微处理器定时器2 中断，每30 s 发送一次，执行将当前室内温湿度、光照度、土壤温湿度发送到服务器；微处理器定时器3 中断，每1 s 执行一次，执行读取室内温湿度、光照度、土壤温湿度，并更新到OLED 显示屏上；微处理定时器4 中断，执行解析串口2 接口接收到的数据长度，然后更新数据长度，将数据更新到接受缓冲区；微处理器串口2 中断，执行接收服务器下发的数据。系统控制逻辑流程如图10所示。

图10 系统控制逻辑流程

3.2 初始化扫描、扫描函数程序设计

系统初始化程序：先执行延时函数初始化、OLED 初始化、更新OLED 显示；之后执行ADC 初始化程序（串口1、串口2 初始化，定时器初始化）；然后执行输出初始化、按键初始化、I2C 初始化程序；最后执行步进电机初始化、备份数据读取、首次数据更新程序，完成本次初始化功能。初始化扫描流程如图11所示。

图11 初始化扫描流程

按键扫描程序：先执行判断程序，判断现在时刻状态和前一阶段状态是否一样，当前状态与前一状态不一样时，则执行判断程序判断Flag=1，当Flag=1 为真时，执行构建显示数据更新为OLED 第1 页显示程序，然后执行更新备份值程序；当Flag=1 为假时，执行构建显示数据更新为OLED第2 页显示程序，然后执行更新备份程序。扫描函数程序流程如图12所示。

图12 扫描函数程序流程

3.3 阿里云APP 与控制系统的连接

在信息传输时，数据是由阿里云平台作为中间媒介实现APP 与硬件系统的交互，APP 与EWM3080-v2 WiFi 模块建立连接。本次设计所使用的服务器是阿里云服务器，平台是阿里云生活物联网平台，在阿里云生活物联网平台可以实现人机交互方式的配置操作。其操作可包括设置交互端，对产品进行命名操作、板面显示设置操作（用于APP 页面的显示内容）和配网的方式操作。在上述操作中，最重要的是配网方式，因为每一个单体WiFi 模块都有自己唯一的产品ID、设备秘钥、产品秘钥、设备名等，每次配网都需要根据不同的信息进行操作，因此APP 与WiFi 模块连接具有唯一性，导致了配网方式成为云智能APP 与WiFi 模块绑定的关键。在配网时，配网方式应该选择一键配网；之后在阿里云生活物联网平台设置完成后，将会出现一个配网二维码；然后打开云智能APP 连接上无线路由器；最后扫描此码即可完成配网操作，实现云智能APP 与WiFi 模块的绑定。

3.4 种植大棚控制系统软调试

云智能APP 主界面如图13所示，其显示室内温湿度、光照度、土壤温湿度等测量的室内环境数据以及卷帘、浇水、补光、通风及运输等控制系统的开关、工作状态。在APP的阈值设置界面可以显示设置阈值范围（阈值上限、下限），如图14所示。在历史曲线界面时可以显示土壤温湿度、空气温湿度、光照度等数据的历史数值，如图15所示。当工作模式为自动时，控制系统根据阈值执行相应系统驱动程序。当温度低于温度下限时，卷帘打开执行，当温度高于温度上限时，卷帘卷起执行，温度阈值控制卷帘系统正常；当湿度高于湿度上限时，通风口打开执行，排湿系统正常；当光照度低于光照度阈值时，补光LED 打开，高于光照度阈值时关闭，补光系统正常。当土壤湿度低于土壤湿度阈值时，抽水系统开始工作，浇水系统正常。当系统工作状态为手动模式时，对卷帘、浇水、补光、通风及运输进行手动控制，测试结果正常。调试完毕，系统正常。

图14 阈值调节界面

图15 历史数据界面

4 系统实物

本蔬菜种植大棚控制系统在研究期间均采用5 V 电压驱动小电机进行模拟，而在现实中一般都是驱动220 V 电机进行卷帘、通风、运输等操作。考虑到实用性，故在制作控制实物时要用到小电流控制大电流的操作。小电流控制大电流基本原理是通过单片机将信号给到继电器，继电器导通接通220 V 电压，将电压供到交流接触器（交流接触器吸合）使得电机接通电源，开始工作。根据此原理做出实物控制箱如图16、图17所示。

图16 实时控制APP 页面

图17 系统控制电路箱

5 结 语

本系统实时监测种植大棚室内土壤温湿度、空气温湿度、光照度等实时数据并将数据上传至阿里云数据库，在云智能APP 上可实时查看历史数据。调节蔬菜生长阈值，监测数据与阈值进行对比，实现对作物的水肥补偿、光照补偿以及温湿度补偿等，还可以通过实时控制运输系统实现对作物的棚内运输。对作物的生长环境补偿以及作物运输，实现作物的增产，减少人工成本，基本实现作物现代化种植。

本次设计仍有些许不足之处，如在视频监控这一块由于STM32 微处理器的图像处理能力受限，且设计的运输系统只针对于作物较矮的情况（如土豆、番茄和辣椒等），并未设计出其他大型作物运输系统模型。在后面会加以改进，完善该系统功能，使其达到能够在西北地区农业生产上推广使用水平。