鄒 彬， 董軍堂,2， 楊延寧,2， 李 雪， 李蓓茹

(1.延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000)

0 引 言

溫棚在我國起步較晚，20世紀60年代才開始出現(xiàn)簡單的塑料大棚，目前大多數(shù)大棚種植還處于人工監(jiān)管的階段。人工管理溫棚存在效率低下，耗費人力，不能及時掌握溫棚的實時狀況等問題，并且需要工作人員有豐富的工作經(jīng)驗，還不能保證產(chǎn)品的質(zhì)量。目前市面上雖有一些大棚監(jiān)測系統(tǒng)，但大多存在監(jiān)測不全面、實時性不高和布線繁瑣等弊端[1]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計算等技術的出現(xiàn)與發(fā)展，結合成熟的移動通信技術，本文提出了一種基于云平臺的溫室大棚管理系統(tǒng)，以嵌入式ARM處理器STM32F103RCT6為控制器，通過4G通信技術實現(xiàn)系統(tǒng)與OneNet平臺的數(shù)據(jù)交換，從而避免了系統(tǒng)布線作業(yè)[2]?？蛻敉ㄟ^App實現(xiàn)了更為直觀的人機交互，必要時還可通過App直接控制終端設備，有效地解決了目前溫室大棚所存在的一些問題[3,4]。

1 系統(tǒng)方案設計

溫室大棚管理系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、主控與通信模塊、OneNet云平臺、執(zhí)行模塊組成。采集模塊選用了環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2濃度傳感器和光照強度傳感器，同時使用攝像頭獲取溫棚內(nèi)農(nóng)作物生長情況信息。STM32F103RCT6對采集結果進行分析、處理，自動模式下，可直接驅(qū)動通風機、加熱器、LED補光燈、電磁閥等執(zhí)行設備工作，調(diào)整棚內(nèi)環(huán)境。利用ML302 4G通信模塊配合MQTT協(xié)議接入OneNet云平臺，完成與客戶端的數(shù)據(jù)交換。通過在OneNet平臺創(chuàng)建應用設備，農(nóng)戶可通過手機App實時查看棚內(nèi)各項環(huán)境指標，必要時也可直接通過應用界面進行遠程控制[5]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 采集模塊電路設計

采集模塊通過各傳感器模塊以及攝像頭分別對溫棚內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度、土壤濕度、光照強度、農(nóng)作物狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行采集[6]。

環(huán)境溫濕度檢測選用GY—SHT30—D數(shù)字溫濕度傳感器，溫度測量精度可達±0.3 ℃，支持I2C通訊，測量誤差小，穩(wěn)定性較好，可有效檢測溫棚內(nèi)的溫濕度值。

CO2濃度檢測選用高性能MH—Z19B CO2檢測傳感器模塊，利用非色散紅外(NDIR)原理對空氣中存在的CO2進行檢測，具有檢測靈敏度高、功耗低、抗水氣干擾能力強、良好的選擇性、無氧氣依賴、壽命長等特點。內(nèi)置溫度補償，可實現(xiàn)全溫范圍精準測量，采用串口接口與控制器連接，使用方便，穩(wěn)定可靠。

土壤濕度檢測選用電容式土壤濕度傳感器，避免了電阻式傳感器易被腐蝕的弊端，工作壽命延長，且內(nèi)置穩(wěn)壓芯片，支持3.3～5.5 V寬工作電壓，可準確獲取土壤濕度[7]。

光照強度檢測選用GY—302數(shù)字型光強度傳感器模塊，該模塊采用BH1750FVI芯片，工作在3～5 V電壓下，提供I2C總線接口，內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，接近于視覺靈敏度的分光特性，精度可達±1 Lux。

視頻圖像采集選用百萬高清CMOS傳感器的OV2640攝像頭模塊，具有對靈敏度、曝光度、白平衡、色度、飽和度、對比度等眾多參數(shù)的設置功能，支持JPEG/RGB565格式輸出。采集模塊電路設計如圖1所示。

圖1 采集模塊電路設計

2.2 主控與通信模塊設計

主控與通信模塊的主要功能是控制下發(fā)指令和上傳采集模塊輸入的環(huán)境數(shù)據(jù)。選用STM32F103RCT6作為主控制器，它是基于ARM公司Cortex—M3內(nèi)核的MCU，一次可處理32 bit數(shù)據(jù)，最大時鐘頻率可達72 MHz，處理速度快，片內(nèi)資源豐富，有256K字節(jié) FLASH，48K字節(jié)RAM，片上集成有16個A/D通道，有多個I2C，UART接口，方便外圍設備接入，工作在3.3 V電壓下，可滿足低功耗要求[8]；選用中國移動最新推出的ML302 4G模組作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，供電電壓在3.3～4.3 V，內(nèi)部集成有MQTT協(xié)議，可通過AT指令配置MQTT協(xié)議與OneNet云平臺進行連接。主控與通信模塊原理圖如圖2所示。

圖2 主控與通信模塊原理

2.3 執(zhí)行模塊設計

執(zhí)行模塊主要負責對溫棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)，通過繼電器實現(xiàn)對LED補光燈、加熱器、通風機、電磁閥等設備的控制，繼電器模塊選用SRD—05VDC—SL—C型5 V 低電平觸發(fā)繼電器模塊。執(zhí)行模塊電路如圖3所示。

圖3 執(zhí)行模塊電路

3 OneNet云平臺搭建

OneNet云平臺是中國移動為廣大開發(fā)者提供的免費云平臺，在開發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，然后添加設備，選擇移動蜂窩網(wǎng)絡聯(lián)網(wǎng)方式，選擇MQTTS協(xié)議接入設備。設備添加完成后，創(chuàng)建設備數(shù)據(jù)流模板，最后創(chuàng)建應用設備，通過向應用設備添加數(shù)據(jù)流模板即可在應用界面實時查看棚內(nèi)環(huán)境狀況[9]。以云平臺為媒介可將硬件平臺與客戶端聯(lián)系起來，硬件平臺和客戶端可通過云平臺訂閱主題，當有數(shù)據(jù)上傳或者命令下發(fā)時，云平臺自動對訂閱設備進行消息推送[10]。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)主程序和各功能子程序：環(huán)境溫濕度采集子程序、CO2濃度采集子程序、光照強度采集子程序、土壤濕度采集子程序、攝像頭監(jiān)控子程序、ML302連接OneNet云平臺子程序和各設備控制子程序。

4.1 系統(tǒng)主程序設計

系統(tǒng)選用Keil 公司開發(fā)的 uVision5作為開發(fā)環(huán)境，采用C語言進行模塊化編程。系統(tǒng)上電后，先對各模塊初始化，并嘗試與云平臺進行連接，連接成功后語音提示，此時微處理器再對各個傳感器和攝像頭采集的數(shù)據(jù)進行處理，自動模式下通過PID程序精確控制執(zhí)行模塊，同時ML302將數(shù)據(jù)上傳至云平臺，成功上傳后農(nóng)戶可在App上查看[11]。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 PID控制算法

為了提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，在自動模式下需要對設備進行控制時，引入了PID控制算法。首先設定好溫棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)指標，然后通過PID控制器調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊的設備工作狀態(tài)，使各項環(huán)境參數(shù)保持在設定的誤差范圍內(nèi)，可有效解決溫棚內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)面臨的滯后性和大幅度震蕩等問題，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境快速、準確調(diào)節(jié)[12]。PID算法原理框圖如圖5所示。

圖5 PID算法原理框圖

5 系統(tǒng)調(diào)試與測試

通過調(diào)試可知，引入PID算法，可以更快、更穩(wěn)地調(diào)節(jié)棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)。以溫度調(diào)節(jié)為例，通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境溫度為17 ℃，設定溫棚內(nèi)溫度為25 ℃時，比例參數(shù)在1.3附近、積分參數(shù)在0.1附近、微分參數(shù)在0.01附近，溫度調(diào)控響應快，系統(tǒng)平穩(wěn)，可有效克服溫度傳遞具有滯后性的問題。PID參數(shù)與調(diào)控效果對照如表1所示。

表1 PID參數(shù)與調(diào)控效果對照

通過調(diào)試后，溫室大棚管理系統(tǒng)可以正常工作，手機下載OneNet設備云App，點擊下方應用，選擇溫室大棚管理系統(tǒng)，即可進入OneNet云平臺設備管理界面。界面第一行五個折線分別代表棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)；第二行五個表盤分別代表棚內(nèi)當前各項環(huán)境參數(shù)的實際值；最下面一行五個開關分別控制每個執(zhí)行端設備的開啟與關閉；最后還可通過攝像頭查看棚內(nèi)整體情況。管理系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 管理系統(tǒng)界面

6 結束語

基于云平臺的溫室大棚管理系統(tǒng)結合最新的技術手段，為現(xiàn)代大棚種植、管理提供了一種新的實現(xiàn)途徑，可以滿足當前大棚種植的需求。農(nóng)戶隨時隨地可通過手機App方便地查看棚內(nèi)環(huán)境狀況，必要時還可通過客戶端直接控制相應設備動作，以保持溫棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)適合農(nóng)作物生長。設計系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)人工管理，操作方便，管理靈活，可以實現(xiàn)溫室大棚的遠程管理。