蔡紹博蔡紹碩夏志波張軍

1、長江大學園藝園林學院 2、武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司 3、青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司 4、武漢建春科技有限公司 5、武漢菜佰仟數(shù)字農(nóng)業(yè)科技有限公司

為滿足人們對生活質(zhì)量的高要求，溫室大棚數(shù)量不斷增多。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)安裝溫度計，通過人工讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。但人工控制既耗人力，又容易發(fā)生差錯。近些年來，隨著國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)技術、5G 通信技術以及IPV6 的興起，利用傳感器以及傳感網(wǎng)絡等技術實現(xiàn)環(huán)境的智能監(jiān)測已經(jīng)成為大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植發(fā)展的主流。

1 溫室大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)技術說明

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)，主要運用了傳感器環(huán)境檢測技術、STM32 單片機技術、Lora 無線網(wǎng)絡技術、云服務器技術以及Web 技術。終端通過溫濕度傳感器來檢測溫室大棚的環(huán)境溫度，利用Lora 網(wǎng)絡來實現(xiàn)終端節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間的多數(shù)據(jù)采集與傳輸，Lora 網(wǎng)關利用網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，在云端進行環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲，用戶終端通過Web網(wǎng)頁和手機App 進行數(shù)據(jù)的訪問，實時獲取溫室大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)并通過發(fā)送指令進行調(diào)控。

本系統(tǒng)采用DHT11 溫濕度傳感器來測量溫室大棚的溫濕度，它的溫度采集范圍是-20℃～60℃，DHT11供電電壓為3.3V～5.5V，通過單片機的供電模塊進行供電。傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，利用物理效應、化學效應、生物效應，把被測的物理量、化學量、生物量等轉換成符合需要的電量，傳感器通過IO 口與單片機進行連接，將監(jiān)測到的參數(shù)發(fā)送到單片機進行數(shù)據(jù)處理。

本系統(tǒng)的終端監(jiān)測節(jié)點以STM32 單片機為核心，采用了嵌入式STM32F030C8T6，并將其作為系統(tǒng)的核心控制部件，是一款高性能的ARM Cortex-M0 32 位核心單片機，供電電壓為3.3V。STM32 MCU 融高性能、實時性、數(shù)字信號處理、低功耗于一身，同時保持高集成度和開發(fā)簡易的特點。

本系統(tǒng)的終端與網(wǎng)關節(jié)點之間采用Lora 無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸。Lora 為英文Long Rangge 的縮寫，為低功耗廣域網(wǎng)通信技術的一種，還能保持較大的通信距離。RS066 是一款半雙工無線數(shù)據(jù)傳輸LoRa 模塊，模塊體積小，寬電壓運行，具有接收靈敏度高、通訊距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，通過IO 接口與STM32單片機進行連接。

本系統(tǒng)的網(wǎng)關節(jié)點與云服務器之間采用WiFi 通信模塊和3G/4G 通信模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸。WiFi 模塊選擇的是 ATK ESP8266 模塊，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧；3G/4G 通信模塊選擇的是ZSD1410 DTU 模塊，是一款使用7 模全網(wǎng)通模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧浇K端，支持國內(nèi)3 大運營商的所有網(wǎng)絡，支持PPP、TCP、UDP、ICMP 等眾多復雜網(wǎng)絡協(xié)議和多SOCKET 接口。

2 溫室大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)架構設計

2.1 總體方案設計

終端監(jiān)測節(jié)點以STM32 單片機為核心，通過連接溫濕度傳感器來檢測溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度，通過連接繼電器來控制溫濕度調(diào)控設備的開關。單片機通過代碼進行控制，設置環(huán)境參數(shù)的閾值，當傳感器檢測到的參數(shù)達到閾值時會自動觸發(fā)控制系統(tǒng)。終端節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間通過Lora 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，采用LoraWAN 通信協(xié)議。網(wǎng)關節(jié)點以STM32 單片機為核心，通過搭載的WiFi 通信模塊和3G/4G 通信模塊實現(xiàn)與云端服務器的通信。云服務器采用One NET 云服務器，利用云端來存儲終端環(huán)境的參數(shù)以及利用云端來轉發(fā)終端控制指令。終端用戶通過Web 網(wǎng)頁或手機App 來訪問云服務器，實時獲取溫室大棚的溫濕度數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡來發(fā)送指令，實現(xiàn)溫室大棚的溫濕度智能控制。其中系統(tǒng)采用TLCD 液晶顯示屏來進行數(shù)據(jù)的顯示。LCD 具有高靈敏度和高線性的技術特性，可以滿足控制系統(tǒng)在溫室大棚內(nèi)終端顯示工作的需求，數(shù)據(jù)傳輸接口選用8 位并行總線模式，相比傳統(tǒng)SPI 串口傳輸方式顯示刷新頻率更快，從而使得溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)能夠及時向工作人員顯現(xiàn)。系統(tǒng)架構設計分為終端監(jiān)測節(jié)點設計、網(wǎng)關節(jié)點設計和用戶終端設計三部分，如圖1 所示，該系統(tǒng)具備溫濕度監(jiān)測、LCD 屏顯示終端、自動控制、無線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 總體方案設計

2.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點以單片機為核心，通過傳感器來進行環(huán)境參數(shù)的采集，通過連接繼電器來實現(xiàn)溫室大棚的溫濕度調(diào)控設備的開關，使用Lora 通信模塊實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，如圖2 所示。單片機采用STM32 單片機，以STM32F030C8T6 作為系統(tǒng)的核心控制部件。STM32F030C8T6 芯片的單片機工作電壓在3.3V～3.6V之間，通過電源模塊對整個終端節(jié)點進行供電，摒棄傳統(tǒng)的電源布線，讓整個系統(tǒng)更加簡潔。通過傳感器模組來檢測環(huán)境的參數(shù)，利用DHT11 傳感器來檢測溫室大棚的溫濕度，傳感器通過IO 控制接口與單片機進行連接，通過AD 轉換，將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)核。通過繼電器來連接溫濕度調(diào)控設備來對溫室大棚溫濕度進行控制。通過對終端單片機進行代碼的燒錄，設置環(huán)境參數(shù)的閾值，當傳感器監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)與設定的閾值不匹配時，單片機對連接繼電器的IO 口進行上電，以實現(xiàn)調(diào)控設備的開關。單片機獲得溫濕度數(shù)據(jù)之后，通過LCD 液晶屏進行數(shù)據(jù)的顯示。代碼通過時鐘模塊進行計時，每5s 觸發(fā)一次環(huán)境參數(shù)的發(fā)送函數(shù)，通過Lora 通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，使用Lora WAN 通信協(xié)議進行通信，實現(xiàn)多個終端節(jié)點向網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 終端節(jié)點設計

2.3 網(wǎng)關節(jié)點設計

網(wǎng)關節(jié)點以單片機為核心，利用Lora 無線網(wǎng)絡進行終端環(huán)境參數(shù)的采集，通過WiFi、3G/4G 網(wǎng)絡將網(wǎng)關節(jié)點接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到云端。單片機采用STM32 單片機，以STM32F030C8T6 作為系統(tǒng)的核心控制部件，工作電壓在3.3V～3.6V 之間，通過電源模塊對整個網(wǎng)關節(jié)點進行供電。利用Lora 通信模塊接收終端的環(huán)境參數(shù)，采用LoraWAN 通信協(xié)議，網(wǎng)關支持Lo-RaWAN 的 ClassA、ClassB*、ClassC 協(xié) 議 ， 支 持 Lo-RaWAN 網(wǎng)絡協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸功能。通過Lora 通信模塊接收來自終端節(jié)點的環(huán)境參數(shù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32F0 MCU 進行數(shù)據(jù)的處理。網(wǎng)關節(jié)點通過WiFi 通信模塊和3G/4G 通信模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到云端平臺，WiFi 的 ATK ESP8266 模塊，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)；3G/4G 的ZSD1410 DTU模塊，支持國內(nèi)3 大運營商的所有網(wǎng)絡。

2.4 遠程控制節(jié)點

網(wǎng)關節(jié)點通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到云端平臺，在云端進行存儲。云服務器采用OneNET 云服務器，與網(wǎng)關節(jié)點之間采用MQTT 通信協(xié)議，通過訂閱或發(fā)布的模式，網(wǎng)關節(jié)點定時向云平臺上傳環(huán)境參數(shù)。采用B/S 和C/S 架構，用戶通過PC 瀏覽器以及手機App 來訪問云服務器，以實時獲取網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制，控制終端溫濕度調(diào)控設備的開啟。

3 溫室大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)測試結果

測試過程主要有自動調(diào)節(jié)測試、Lora 通信測試。自動調(diào)節(jié)測試，使用模擬法來測試。通過人工改變環(huán)境參數(shù)，來測試終端節(jié)點是否會做出相應的調(diào)節(jié)。在模擬的環(huán)境下，通過人為改變環(huán)境的溫濕度參數(shù)，并且在終端的單片機設置參數(shù)閾值，設定最適的溫度為26℃、濕度為60%。根據(jù)測試結果可以發(fā)現(xiàn)在溫度低于26℃時，終端節(jié)點會自動開啟照明暖燈，直到溫度達到26℃系統(tǒng)自動關閉；溫度高于26℃時，終端節(jié)點會自動開啟通風設備，直到溫度達到26℃系統(tǒng)自動關閉；濕度低于60%時，終端節(jié)點會自動開啟霧溉系統(tǒng)，直到濕度達到60%系統(tǒng)自動關閉；濕度高于60%時，終端節(jié)點會自動開啟通風設備，直到濕度達到60%系統(tǒng)自動關閉。

在Lora 通信測試環(huán)境中，選取3 個Lora 終端節(jié)點和1 個Lora 網(wǎng)關節(jié)點，組成一個Lora 無線傳感器網(wǎng)絡，Lora 終端節(jié)點同時向Lora 網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小設定為15 個字節(jié)，每個節(jié)點發(fā)送1000 次。根據(jù)測試結果分析，在通信距離小于1.5km 時，丟包率在5%以內(nèi)，符合系統(tǒng)的要求。測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 Lora 通信測試數(shù)據(jù)結果

4 結語

通過對傳感器技術、STM32 單片機、Lora 通信技術、云服務器技術以及Web 技術的研究，完成了這個基于物聯(lián)網(wǎng)技術的溫室大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠根據(jù)終端傳感器檢測到溫室大棚的溫濕度參數(shù)，自動對終端環(huán)境參數(shù)做出調(diào)控，并且利用Lora 無線網(wǎng)絡來進行終端節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，相較于以往的有線傳感網(wǎng)絡來說本系統(tǒng)更加簡潔，造價更加低廉。通過云服務器來進行數(shù)據(jù)的存儲，采用B/S和C/S 架構，用戶通過PC 瀏覽器以及手機App 來訪問云服務器，實時獲取網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的遠端智能控制。本系統(tǒng)還能通過改變終端節(jié)點的檢測傳感器，來檢測不同的終端環(huán)境參數(shù)，利用繼電器來連接不同的環(huán)境調(diào)控設備，對獲取的空間參數(shù)分級分層管理，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的智能控制功能，足以證明該系統(tǒng)涵蓋性高，采用的新方法、新思路不僅可以實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的智能調(diào)節(jié)和遠程操作，亦可廣泛運用于其他環(huán)境。