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        基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

        2021-09-10 18:43:50李添河吳敏
        科技研究 2021年17期
        關(guān)鍵詞:智能系統(tǒng)

        李添河 吳敏

        摘要:本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的、采用STM32微控制器設(shè)計(jì)的智能大棚,當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集分析溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)后,主控制板通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī),用戶就可以直接通過PC機(jī)來進(jìn)行相應(yīng)操作或者系統(tǒng)自動(dòng)判斷并進(jìn)行調(diào)整,使大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度符合作物生長(zhǎng)所需,用戶還可通過視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控觀察大棚內(nèi)情況。

        關(guān)鍵詞:STM32F103RCT6;物聯(lián)網(wǎng);智能大棚;以太網(wǎng)

        近年來,農(nóng)業(yè)大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利,得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對(duì)作物的生產(chǎn)有很大的影響。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式難以達(dá)到科學(xué)合理種植的要求,目前國內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)上述環(huán)境因子自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見,而引進(jìn)國外具有多功能的大型連棟溫室監(jiān)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴,不適合國情。

        針對(duì)目前大棚發(fā)展的趨勢(shì),提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)大棚智能監(jiān)控的特殊性,需要傳輸大棚現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)給管理者,并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備,基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。

        1.系統(tǒng)方案

        本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的方式,將主控板、傳感器、PC機(jī)進(jìn)行有效的連接,從而達(dá)到對(duì)大棚智能監(jiān)控的目的。整個(gè)系統(tǒng)在降低投資的基礎(chǔ)上,減少人力資本,完成蔬菜大棚的增值創(chuàng)收。

        模塊1:以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

        以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的基本要求,通過以太網(wǎng)控制器可將主控板上采集分析的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C機(jī)上。

        模塊2:傳感器

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中加入了溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集,由于成本問題,未添加二氧化碳傳感器。

        模塊3:PC端遠(yuǎn)程控制

        PC機(jī)可通過無線連接到主控板所發(fā)送的數(shù)據(jù),用戶通過PC機(jī)界面上顯示的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷,進(jìn)行大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控,還可在PC機(jī)上監(jiān)測(cè)到大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)影像。

        2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        該智能大棚控制系統(tǒng)以 32 位 ARM 為主控制器,通過溫度、濕度、光敏傳感器,對(duì)大棚內(nèi)外的溫度、濕度、光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,通過 A/D 轉(zhuǎn)換,把信號(hào)送往 MCU 進(jìn)行處理。在 CPU 內(nèi)部 Flash 存有一個(gè)小型的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)庫,通過對(duì)傳感器采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析對(duì)比,最終做出決策,系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出指令,控制大棚內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)、采光、自動(dòng)澆灌等子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作;或根據(jù) LCD 上顯示的信息,通過PC端采取干預(yù)性的發(fā)出控制指令,從而達(dá)到控制大棚內(nèi)部環(huán)境,便于農(nóng)作物的生長(zhǎng)的目的。

        控制的詳細(xì)指標(biāo)分別為:

        (1)大棚內(nèi)的溫度基本保持在 20~26℃;

        (2)光強(qiáng)基本保持在 6~12 格的范圍之內(nèi);

        (3)濕度基本保持在 35%~65%。

        2.1基本結(jié)構(gòu)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        該智能大棚采用 STM32F103RCT6 為主控制器,用來總體協(xié)調(diào)控制整個(gè)系統(tǒng),對(duì)內(nèi)部 A/D 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,與內(nèi)部設(shè)定的數(shù)據(jù)庫比較,根據(jù)設(shè)定的各參數(shù)發(fā)出指令控制采光、照明、溫度調(diào)節(jié)、自動(dòng)澆灌子系統(tǒng),來改變大棚內(nèi)部的環(huán)境指數(shù)。同時(shí),還可利用 STM32F103RCT6來驅(qū)動(dòng)液晶屏,實(shí)時(shí)地顯示大棚內(nèi)外的各環(huán)境參數(shù)。本系統(tǒng)采用一塊 DHT11溫度傳感器,來采集大棚內(nèi)外的溫度、濕度值。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如下圖所示:

        2.2主控板

        采用STM32F103RCT6為核心的主控芯片,組成項(xiàng)目所需主控電路.

        2.3以太網(wǎng)模塊

        ENC28J60 是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,SPI)的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器。它可作為任何配備有 SPI 的控制器的以太網(wǎng)接口。通過該模塊,可將數(shù)據(jù)由主控制板上傳到PC機(jī),用戶就可以直接通過PC機(jī)來控制棚內(nèi)電機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

        2.4傳感器

        DHT11:一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè) NTC測(cè)溫元件,并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。通過單片機(jī)等微處理器簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)的采集本地濕度和溫度。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù) 40Bit 的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī),數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn),有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

        該傳感器用于檢測(cè)棚內(nèi)的溫濕度,當(dāng)棚內(nèi)的溫濕度不在設(shè)定值范圍內(nèi)時(shí),此時(shí)主控制板就會(huì)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī),用戶就可以直接通過PC機(jī)來監(jiān)測(cè)棚內(nèi)溫濕度情況,并控制棚內(nèi)電機(jī),使其運(yùn)行,以達(dá)到滿足作物生長(zhǎng)條件的目的。

        光照強(qiáng)度傳感器:光傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器,它的敏感波長(zhǎng)在可見光波長(zhǎng)附近,包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。本項(xiàng)目中我本采用了光敏電阻傳感器,可以檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度和光照,具有靈敏度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn),其工作電壓為3.3V。該傳感器用于檢測(cè)大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度,當(dāng)棚內(nèi)光照強(qiáng)度不足時(shí),補(bǔ)光燈會(huì)自動(dòng)開啟,進(jìn)行補(bǔ)光,滿足大棚內(nèi)農(nóng)作物光合作用是對(duì)光照的要求。

        2.5電機(jī)及補(bǔ)光燈驅(qū)動(dòng)模塊

        在項(xiàng)目模型中,采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)和補(bǔ)光燈,該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī),具有過電壓和過電流保護(hù)、PWM脈寬平滑調(diào)速、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。該驅(qū)動(dòng)模塊采用了兩塊L298N芯片,可對(duì)三臺(tái)電機(jī)和補(bǔ)光燈進(jìn)行控制.

        2.6電源模塊

        電源模塊是任何裝置都不可缺少的一部分,由于參與本設(shè)計(jì)的模塊眾多,我們制作了AC-DC converter 交直流轉(zhuǎn)換電源模塊,可輸出+24/+15V/-15V/+5V電壓,并采用一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器AMS117-3.3,獲得+3.3V電壓.

        3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        該智能大棚的軟件系統(tǒng),通過主程序調(diào)用多種中斷子程序來實(shí)現(xiàn),包括定時(shí)器中斷、A/D 中斷和端口中斷。主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘、鍵盤中斷、液晶屏、內(nèi)部 AD、定時(shí)器 A B、IIC 及各種參數(shù)設(shè)置的初始化。項(xiàng)目系統(tǒng)軟件框架如下圖所示:

        4.系統(tǒng)創(chuàng)新

        (1)使用獨(dú)立以太網(wǎng)控制器,傳輸數(shù)據(jù)時(shí)穩(wěn)定、傳輸速率快;

        (2)開發(fā)系統(tǒng)成本低、功能強(qiáng);

        (3)使用基于 Internet 的物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)精確而專業(yè)的蔬菜管理,放寬了菜農(nóng)的蔬菜種植水平

        5.結(jié)論

        本智能監(jiān)控系統(tǒng),采用無線通信方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組件之間的通信,使數(shù)據(jù)檢測(cè)從機(jī)具備極高的安裝和操控靈活性。同時(shí)通過對(duì)云服務(wù)器的使用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的備份和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試,運(yùn)行效果良好,數(shù)據(jù)采集和上傳更新穩(wěn)定,可以滿足農(nóng)業(yè)大棚所需的基礎(chǔ)智能監(jiān)控功能。

        參考文獻(xiàn):

        [1]姜源,鄭玉麗.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能大棚控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(11).

        [2]韓志平。溫室環(huán)境參數(shù)模糊控制[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2012.

        [3]余攀,鄒承俊.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成都地區(qū)智能溫室云服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2014(7).

        [4]劉國彥,段益群.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息與電腦(理論版),2014(2).

        [5]潘剛,蒲國林,王安志,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014(2).

        注:大創(chuàng)項(xiàng)目編號(hào):CXXL2019241

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