尚澤 陳偉利 李玉麗

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130000）

1 概述

近年來(lái)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，科技水平不斷提高，在當(dāng)今社會(huì)，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟，越來(lái)越多的人開(kāi)始重視以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能農(nóng)業(yè)大棚的研究。從古至今，農(nóng)業(yè)在我國(guó)一直占據(jù)著十分重要的地位。我國(guó)的農(nóng)耕技術(shù)曾一度領(lǐng)先于世界，可隨著科技的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的農(nóng)耕技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)成為我們邁向世界大國(guó)的路途中，關(guān)鍵的一步?，F(xiàn)代化的智能農(nóng)業(yè)大棚在實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的無(wú)誤、精細(xì)管理的同時(shí)大大節(jié)省了時(shí)間、人力和物力，使得生產(chǎn)變得更加高效。事實(shí)上我國(guó)對(duì)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的研究起步較晚，其管理方法照一些發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距，所以對(duì)于現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的研究有著極其深遠(yuǎn)的意義與影響。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的監(jiān)測(cè)模式為人工監(jiān)測(cè)，高頻率的觀察、記錄、測(cè)量各種數(shù)據(jù)，不僅效率低下而且導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的因素過(guò)多，不利于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的管理與控制，還容易產(chǎn)生一些不必要的資源浪費(fèi)和財(cái)產(chǎn)損失。隨著物聯(lián)網(wǎng)（5G）時(shí)代的到來(lái)，農(nóng)業(yè)智能化程度不斷提高，智慧溫室大棚應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具體表現(xiàn)在各種現(xiàn)代化設(shè)備的加入與互聯(lián)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能農(nóng)業(yè)大棚檢測(cè)系統(tǒng)的重點(diǎn)在于對(duì)內(nèi)部環(huán)境的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和環(huán)境監(jiān)測(cè)。在對(duì)于作物監(jiān)測(cè)的方式從人工轉(zhuǎn)為更精準(zhǔn)的儀器，各個(gè)傳感器模塊對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)ZigBee 傳輸至處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，同時(shí)從各個(gè)傳感器收集來(lái)的數(shù)據(jù)在LCD 液晶顯示屏上顯示。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所需求的相關(guān)監(jiān)測(cè)與控制程序設(shè)計(jì)，主要運(yùn)用Keil C51 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以及STM32 系統(tǒng)中的按鍵、串口、蜂鳴器、ADC、時(shí)鐘、TFT-LCD 顯示等部分。在本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)際操作中，在讀取系統(tǒng)相連接的各傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，把測(cè)量收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸及加工處理，而后將得到的數(shù)據(jù)信息LCD 屏上顯示，其中相關(guān)設(shè)備能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)判斷棚內(nèi)環(huán)境是否適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)，并做出相應(yīng)調(diào)整。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 各模塊基本需求。STM32F103ZET6 為主控芯片來(lái)滿足智能大棚的設(shè)計(jì)要求。2 塊STM32 采集數(shù)據(jù)的范圍十分有限，大棚內(nèi)面積較大，不能采集棚內(nèi)所有數(shù)據(jù)信息，采用多個(gè)STC12C5A60S2 來(lái)收集各傳感器數(shù)據(jù)。

溫濕度傳感器：本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器為DHT11，該模塊的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、測(cè)量范圍廣、精確度高，從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的角度來(lái)看非常適合，節(jié)能性價(jià)比高。如圖1。

圖1 DHT11 電路圖

光照：本系統(tǒng)采用GY-30 光照強(qiáng)度該檢測(cè)模塊芯片為BH1750FVI，它的電壓范圍是3-5V, 適宜的光照強(qiáng)度范圍是0-655351x,并且內(nèi)置AD 轉(zhuǎn)換，使它不需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法過(guò)程來(lái)直接輸出數(shù)字信號(hào)，如圖2 它可以用來(lái)測(cè)量高精度的大范圍亮度。當(dāng)檢測(cè)到的光強(qiáng)高于設(shè)定的閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)（如圖3 所示）旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的步進(jìn)角，放下遮光罩,相應(yīng)的，光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)會(huì)打開(kāi)補(bǔ)光燈，這里的補(bǔ)光燈采用的是LED 植物生長(zhǎng)燈。

圖2 光照強(qiáng)度傳感器圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)電路圖

二氧化碳監(jiān)測(cè)：本系統(tǒng)決定用兩個(gè)MG811 固體電解質(zhì)傳感器模塊來(lái)檢測(cè)大棚內(nèi)的CO2濃度，并安裝在大棚的適當(dāng)位置。該傳感器的測(cè)量范圍（0-10000ppm)，但在其工作時(shí)傳感器的內(nèi)核溫度會(huì)一直升高，且溫度的升高會(huì)影響測(cè)量的靈敏度，必須加入溫度補(bǔ)償電路來(lái)彌補(bǔ)此缺陷。雖然溫度升高會(huì)影響其工作的精準(zhǔn)度，但是該傳感器可靠穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)，依舊是最適合的選擇。如圖4。

圖4 MG811

通風(fēng)系統(tǒng)：當(dāng)大棚的溫度超出適宜植物生長(zhǎng)的溫度范圍，或者當(dāng)大棚內(nèi)的二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，需要通過(guò)風(fēng)扇工作來(lái)實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)的空氣流通，以達(dá)到降低二氧化碳濃度的目的。本系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)扇。其工作原理：大功率風(fēng)機(jī)安裝大棚開(kāi)闊一端，當(dāng)需要降低溫度或者二氧化碳濃度時(shí)，該風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)，將棚內(nèi)空氣抽出，帶出多余熱量與二氧化碳，棚外新鮮空氣進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)通風(fēng)散熱。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用TFT-LCD 模塊液晶顯示屏，支持顯示65k色，成像效果良好。如圖5。

圖5 液晶顯示

在數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)以上涉及到的硬件方面，本系統(tǒng)決定采用STM32F103ZET6 芯片作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的核心控制器。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

由于農(nóng)業(yè)大棚一般面積較大，導(dǎo)致各傳感器之間距較遠(yuǎn)，采用藍(lán)牙信號(hào)來(lái)進(jìn)行傳輸不具有穩(wěn)定性，且需要多個(gè)信號(hào)接收器，成本過(guò)高，因此采用ZigBee 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無(wú)線組網(wǎng)。本系統(tǒng)采用以CC2530 為芯片的DL-LN33 模塊，能夠較好的滿足農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)信息遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蟆?shí)物圖如圖6。

圖6

4.3 大棚控制模塊

STM32 作為本系統(tǒng)的核心控制器，發(fā)揮著其重要的作用，當(dāng)棚內(nèi)環(huán)境不適宜作物生長(zhǎng)時(shí)，其就會(huì)接收到超過(guò)所設(shè)閾值范圍的數(shù)據(jù)信息，該芯片就會(huì)對(duì)相應(yīng)模塊發(fā)送指令控制步進(jìn)電機(jī)或相應(yīng)繼電器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)電機(jī)水泵、風(fēng)扇電機(jī)、補(bǔ)光燈、遮光板、補(bǔ)光燈等設(shè)備的直接控制，從而實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)控。其中STM32 接收的數(shù)據(jù)是通過(guò)棚內(nèi)傳感器模塊所測(cè)量到的，以ZigBee 自組網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)，然后STM32 發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整命令。

5 性能測(cè)試

在我們創(chuàng)造的模擬環(huán)境中，儀器測(cè)得的數(shù)據(jù)與傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與環(huán)境實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致，誤差在可接受的合理范圍內(nèi)，如表1。

表1

6 總結(jié)與展望

系統(tǒng)通過(guò)與STC12 相連的各傳感器模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)CC2530 將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并在LCD 上顯示。農(nóng)業(yè)發(fā)展面向現(xiàn)代化與智能化已經(jīng)是趨勢(shì)所在，隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的普及，在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛，因此項(xiàng)目擁有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。