劉尚玻，劉皓耿，李才茂，陳丹丹，尹文濤

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 佛山 528000）

0 引 言

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各類傳感器、控制設(shè)備智慧互聯(lián)互通，以一種可靠、經(jīng)濟(jì)、低成本、高安全性的方式構(gòu)建起智能溫室管理系統(tǒng)，對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和控制有著巨大的優(yōu)越性，能夠大大減少人力物力投入，有效防范農(nóng)業(yè)生產(chǎn)事故，更好地做到農(nóng)業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)管理。

溫室大棚的運(yùn)用有效降低了外界環(huán)境給農(nóng)作物生長帶來的惡劣影響，是提高農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量的有效途徑。農(nóng)作物的生長過程受環(huán)境影響巨大。當(dāng)氣溫過高時(shí)，農(nóng)作物體內(nèi)的酶活性降低，其光合作用、呼吸作用將受阻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象；當(dāng)氣溫過低時(shí)，農(nóng)作物代謝速率降低，甚至出現(xiàn)凍傷現(xiàn)象。當(dāng)濕度過大時(shí)，農(nóng)作物極易發(fā)生病蟲災(zāi)害；當(dāng)溫度過高、濕度過低時(shí)，農(nóng)作物又易脫水、干枯、生長延緩。此外，處于低洼地勢區(qū)域的溫室大棚，遇極端暴雨天氣時(shí)，容易受澇被淹，長期的水浸泡會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物因缺氧而爛根，產(chǎn)量、質(zhì)量將大打折扣。

本文開發(fā)的智能溫室管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、控制溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫濕度；同時(shí)，在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的可視化顯示，當(dāng)溫室大棚遇洪澇災(zāi)害時(shí)，可以及時(shí)排水除險(xiǎn)。具體來講，系統(tǒng)首先實(shí)時(shí)接收溫濕度傳感器、水位傳感器回傳的環(huán)境數(shù)據(jù)；然后通過串口與ESP8266模塊通信，按照MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，在WiFi局域網(wǎng)環(huán)境下將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至阿里云云端；最后阿里云云端將對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與顯示。在溫濕度數(shù)據(jù)超過或低于閾值時(shí)，系統(tǒng)控制電機(jī)、噴水器進(jìn)行作業(yè)，保持室內(nèi)溫濕度穩(wěn)定；出現(xiàn)洪澇災(zāi)害時(shí)，電機(jī)可以及時(shí)排水除澇。

1 系統(tǒng)的工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。單片機(jī)通過串口獲取DTH11溫濕度傳感器采集到的大棚環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、消除干擾，再通過串口將處理好的的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絅odeMCU。NodeMCU在WiFi局域網(wǎng)的覆蓋下，通過MQTT物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包上傳到阿里云。阿里云能夠?qū)崟r(shí)顯示大棚室內(nèi)溫度、濕度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

如果大棚內(nèi)的溫度、濕度出現(xiàn)波動(dòng)，通風(fēng)電機(jī)、熱風(fēng)機(jī)、灑水器將執(zhí)行已經(jīng)設(shè)定的PID控制算法動(dòng)作，維持室內(nèi)溫濕度值處于一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間。如果水位高度傳感器監(jiān)測到大棚室內(nèi)地面水位高度超過閾值，將判斷大棚受淹，立即啟動(dòng)抽水泵工作。一旦溫度、濕度、大棚地面水位高度任一數(shù)值超過閾值，系統(tǒng)都將自動(dòng)上報(bào)阿里云報(bào)警中心及釘釘工作群，實(shí)現(xiàn)雙重預(yù)警。

1.2 系統(tǒng)主要模塊的工作原理

通信模塊采用的是NodeMCU，它具有PWM、IC、ADC等功能。NodeMCU核心為ESP-12F，但亦可作為單片機(jī)控制使用。在本系統(tǒng)中，其通過串口與單片機(jī)通信，作為通信模塊將單片機(jī)傳送的傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

DHT11溫濕度傳感器的工作原理是通過電阻的變化來測量環(huán)境濕度和NTC元件測量環(huán)境溫度，最終通過數(shù)字信號(hào)輸出，將溫濕度值傳遞至單片機(jī)。

水位傳感器是通過自身一系列暴露的平行導(dǎo)線線跡測量水量的大小，繼而判斷水位高低，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。

2 系統(tǒng)的功能及其實(shí)現(xiàn)方案

2.1 傳感器數(shù)據(jù)濾波

為了提高數(shù)據(jù)的平滑度、降低干擾的影響，系統(tǒng)采用去極值加權(quán)滑動(dòng)平均濾波算法對(duì)各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。算法流程如圖2所示，其中為隊(duì)列的長度，為加權(quán)系數(shù)。傳感器每采集到一個(gè)新的數(shù)據(jù)，便會(huì)插入到原始數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾，使隊(duì)尾的數(shù)據(jù)為最新，隊(duì)首的數(shù)據(jù)為最舊；然后去掉隊(duì)列中的最大值和最小值，得到一組新的數(shù)據(jù)；最后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加權(quán)系數(shù)表，計(jì)算出這組數(shù)據(jù)的加權(quán)平均數(shù)。該濾波算法的優(yōu)點(diǎn)如下：

圖2 去極值加權(quán)滑動(dòng)平均濾波算法流程

（1）每次計(jì)算出濾波值后，不會(huì)立即丟棄過去所有的采樣數(shù)據(jù)，而是等到下次濾波時(shí)，與最新的數(shù)據(jù)一起計(jì)算濾波值，提高了數(shù)據(jù)更新速度。

（2）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去極值處理，能夠有效消除由于脈沖干擾所引起的偏差。

2.2 數(shù)據(jù)可視化功能

溫濕度傳感器通過串口向單片機(jī)發(fā)送采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，單片機(jī)每0.5 s讀取一次傳感器數(shù)據(jù)，然后通過濾波程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到誤差較小的數(shù)據(jù)，降低干擾的影響。隨后，單片機(jī)通過串口向NodeMCU通信模塊發(fā)送處理后的溫濕度數(shù)據(jù)。在WiFi局域網(wǎng)條件下，通過MQTT協(xié)議，NodeMCU將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)繪制成曲線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，如圖3和圖4所示。

圖3 溫度歷史數(shù)據(jù)曲線

圖4 濕度歷史數(shù)據(jù)曲線

NodeMCU使用Arduino IDE的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，通過調(diào)用函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議的使用。具體而言，MQTT協(xié)議的工作流程先是由發(fā)布方（Publisher）發(fā)送信息到Broker，即MQTT服務(wù)器；服務(wù)器接收消息后，篩查訂閱方符合的消息需求，將消息推送到訂閱方。MQTT服務(wù)器信息的配置代碼如下，其中MQTT_POST為MQTT通信協(xié)議中連接服務(wù)器的端口號(hào)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)上報(bào)預(yù)警功能

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、地面水位高度中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)超過設(shè)定警戒值的情況下，平臺(tái)將啟動(dòng)觸發(fā)機(jī)制，自動(dòng)向報(bào)警中心發(fā)出預(yù)警，并通過釘釘群聊機(jī)器人在釘釘?shù)墓ぷ魅喊l(fā)出報(bào)警，提示管理人員盡快排除問題；管理人員排查完畢后需向報(bào)警中心反饋處理結(jié)果，或是排查出其他未可歸類原因并選擇作“忽略處理”，否則該預(yù)警將一直提示為“未處理”狀態(tài)，管理人員上報(bào)的處理結(jié)果將一直保存在數(shù)據(jù)中心，做好信息備案處理，方便后期管理人員隨時(shí)查閱，同時(shí)也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供有力的安全保障。圖5和圖6分別是報(bào)警結(jié)果及處理意見欄界面圖和釘釘群聊自動(dòng)發(fā)送報(bào)警顯示圖。

圖5 報(bào)警結(jié)果及處理意見欄界面圖

圖6 釘釘群聊自動(dòng)發(fā)送報(bào)警顯示圖

2.4 溫濕度控制功能

大棚的熱量來源主要是太陽光的輻射，即大棚溫度的控制主要依靠控制大棚受到的光照強(qiáng)度，但如果僅靠控制光照強(qiáng)度仍然無法有效控制大棚溫度，則需要額外采用熱風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)來參與控制。若大棚的實(shí)際溫度小于期望溫度，則單片機(jī)控制熱風(fēng)機(jī)向大棚內(nèi)輸送熱風(fēng)，升高大棚溫度；反之則控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過自然通風(fēng)來降低大棚溫度?？刂拼笈餄穸葎t采用通風(fēng)機(jī)和灑水器作為執(zhí)行器。若大棚的實(shí)際濕度小于期望濕度，則單片機(jī)控制灑水器向大棚內(nèi)噴灑水霧，增加大棚濕度；反之則控制通風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過自然通風(fēng)來給大棚排濕。由于降溫和降濕的執(zhí)行器都是通風(fēng)機(jī)，所以單片機(jī)程序先將降溫控制程序和降濕控制程序的控制量進(jìn)行疊加，然后再輸出給通風(fēng)機(jī)。

大棚溫濕度控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。在每個(gè)大棚溫濕度控制周期里，單片機(jī)首先分別通過溫度傳感器和濕度傳感器獲得大棚的實(shí)際溫度和濕度，然后程序?qū)囟群蜐穸鹊钠谕蹬c實(shí)際值分別做差。對(duì)于溫度偏差，如果偏差值大于0，即需要對(duì)大棚進(jìn)行增溫，則輸入到通道1的PID控制程序中，反之則輸入到通道2的PID控制程序中；對(duì)于濕度偏差，如果偏差值大于0，即需要對(duì)大棚進(jìn)行增濕，則輸入到通道4的PID控制程序中，反之則輸入到通道3的PID控制程序中。PID控制程序根據(jù)水位偏差的當(dāng)前值和歷史值計(jì)算出控制量，控制熱風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)和灑水器的輸出功率，使大棚溫度和濕度的實(shí)際值不斷接近期望值。其中，通風(fēng)機(jī)的控制量為通道2和通道3的控制器輸出量的疊加。

圖7 大棚溫濕度控制結(jié)構(gòu)

2.5 防洪功能

本系統(tǒng)的防洪功能設(shè)計(jì)理念以預(yù)防澇害為主，在溫室大棚地表水面超過預(yù)警值時(shí)即開始動(dòng)作，確保溫室大棚不受淹。一旦水位高度傳感器監(jiān)測到溫室大棚內(nèi)積水量已超過設(shè)定的閾值，大棚自身排水系統(tǒng)出現(xiàn)過負(fù)荷工作的情況，阿里云將通過后臺(tái)與釘釘工作群同步兩級(jí)報(bào)警，提示工作人員盡快處理。工作人員在收到報(bào)警后，須進(jìn)行實(shí)地或通過其他途徑查明內(nèi)澇情況，制定出應(yīng)對(duì)措施，并在阿里云平臺(tái)的報(bào)警信息上書寫情況報(bào)告并留檔，否則該報(bào)警信息將提示為“未處理”。與此同時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的抽水電機(jī)開始工作，按照事先設(shè)定的PID工作算法，加快溫室大棚排水，保持溫室大棚地表水位不過紅線。此外，為了防止日常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中消殺、清洗時(shí)出現(xiàn)的短暫溫室大棚地表水位超過設(shè)定的閾值情況，只有水位高度傳感器連續(xù)一段時(shí)間監(jiān)測到水位超標(biāo)情況下，電機(jī)抽水機(jī)制才觸發(fā)工作。

圖8為大棚地表水位控制結(jié)構(gòu)。在每個(gè)大棚地表水位控制周期里，單片機(jī)首先通過通信總線獲取水位傳感器測得的地表實(shí)際水位，然后程序?qū)⑵谕缓蛯?shí)際水位做差，輸入到PID控制程序中。PID控制程序根據(jù)水位偏差的當(dāng)前值和歷史值計(jì)算出控制量，控制抽水泵的輸入電壓，進(jìn)而控制抽水流速，使大棚地表水位的實(shí)際值不斷地接近期望值。

圖8 大棚地表水位控制結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 語

為迎合智慧農(nóng)業(yè)的時(shí)代發(fā)展大潮，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了一種智能溫室大棚管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助WiFi局域網(wǎng)的低成本、高可靠性的通信手段，將大棚溫濕度數(shù)值實(shí)時(shí)上傳到阿里云端并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化，方便工作人員實(shí)時(shí)查看。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制PID算法，大棚的溫濕度受外界擾動(dòng)時(shí)，能夠通過灑水器、通風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)機(jī)將大棚的溫濕度穩(wěn)定在一個(gè)適宜農(nóng)作物生長的區(qū)間。遇極端天氣發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，系統(tǒng)的防洪功能會(huì)自動(dòng)響應(yīng)、及時(shí)排水，防患于未然。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)溫室大棚生產(chǎn)的精細(xì)化、智慧化管理，減少傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的人力物力投入，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增產(chǎn)增質(zhì)。