陳 根 ，易治國

（1.湖南鐵路科技職業(yè)技術學院，湖南 株洲 412000；2.湖南省高鐵運行安全保障工程技術研究中心，湖南 株洲 412000）

0 引言

溫室大棚對于調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要作用[1-2]，特別在冬季，由于溫度低、光照不足，露天種植作物存在生長慢、長勢差等問題。研究表明，大棚溫度、濕度、光照強度是衡量大棚質(zhì)量的重要指標，其直接影響土壤變化、幼苗栽培、植物生長及作物產(chǎn)量[3-4]。因此，需要加強對大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強度的監(jiān)測。然而，傳統(tǒng)大棚常常需要工作人員定期巡檢，這種方式存在效率低、費用高、時間滯后等缺陷[5]。

針對這一現(xiàn)狀，課題組設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機為主控制器，利用溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度信息采集，利用濕度傳感器YL-69實現(xiàn)濕度信息采集，利用光敏傳感器實現(xiàn)光照信息采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳至云平臺實現(xiàn)集中監(jiān)管。當數(shù)據(jù)超過設定閾值時，一方面可通過現(xiàn)場蜂鳴器和平臺端網(wǎng)頁進行報警，另一方面可通過電阻絲、風扇和水泵進行加熱加濕或降溫除濕。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)由大棚環(huán)境參數(shù)感知層、大棚環(huán)境參數(shù)傳輸層、大棚環(huán)境參數(shù)應用層等組成，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

1）大棚環(huán)境參數(shù)感知層：感知層以STM32單片機為核心，通過外接傳感器實現(xiàn)大棚溫度、濕度和光照強度等數(shù)據(jù)的采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡。

2）大棚環(huán)境參數(shù)傳輸層：各測量終端將采樣到的環(huán)境參數(shù)通過CAN總線發(fā)送至網(wǎng)關，網(wǎng)關將收集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡上傳至云平臺。

3）大棚環(huán)境參數(shù)應用層：應用層實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的實時監(jiān)控和故障報警。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 測量終端硬件設計

測量終端實現(xiàn)了大棚溫度、濕度和光照強度等數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡。測量終端硬件由STM32F103C8T6單片機、光敏傳感器、溫度傳感器DS18B20、報警模塊、濕度傳感器YL-69、LCD1602、電阻絲、風扇、泵機等組成。測量終端硬件總體結構如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點硬件設計

2.2 溫度采集模塊設計

溫度傳感器采用直接數(shù)字信號輸出式傳感器DS18B20。該數(shù)字溫度傳感器具有體積小、測溫精度高、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，采用1-Wire單總線協(xié)議[6]，和單片機完成雙向通信僅需要一條Data數(shù)據(jù)線。該溫度傳感器與單片機的接口電路如圖3所示。

圖3 溫度傳感器DS18B20的接口電路

2.3 濕度采集模塊設計

濕度采集模塊選擇濕度傳感器YL-69，其原理為濕敏電容。當環(huán)境濕度升高時，電容值升高，輸出電壓也升高，同時輸出電壓值與濕度值在一定范圍內(nèi)呈線性關系[7-8]。由于該單片機內(nèi)置有A/D轉換模塊，因此將該傳感器的AO接口（模擬量輸出接口）與單片機的PA1接口（ADC接口）相連。濕度傳感器YL-69與單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 濕度傳感器YL-69的接口電路

2.4 光照采集模塊設計

本系統(tǒng)使用光敏電阻測光電路實現(xiàn)對大棚光照的采集[9-10]，光照采集電路如圖5所示。RL為光敏電阻，R1為分壓電阻。單片機外接三個按鈕，其中，按鈕1為狀態(tài)切換按鈕，通過按鈕1可將狀態(tài)切換為溫度閾值調(diào)整、濕度閾值調(diào)整或光照閾值調(diào)整；按鈕2用于減小設定閾值；按鈕3用于增大設定閾值。

圖5 光照采集電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由初始化模塊、溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照采集模塊、LCD1602顯示模塊、控制模塊、故障報警模塊等七個軟件子模塊組成，其工作流程如圖6所示。系統(tǒng)軟件工作步驟如下：1）系統(tǒng)上電，單片機對各寄存器和I/O口進行初始化；2）單片機驅(qū)動溫度傳感器DS18B20對大棚土壤溫度進行采樣；3）單片機驅(qū)動濕度傳感器YL-69對土壤濕度進行采樣；4）單片機驅(qū)動光敏傳感器對大棚內(nèi)光照強度進行采樣；5）將采樣到的溫度、濕度、光照強度顯示在LCD1602上；6）將采樣到的溫度、濕度、光照強度發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡；7）判斷大棚內(nèi)溫度、濕度和光照強度是否超過設定閾值。若超過設定閾值，則啟動控制模塊工作；若沒有超過設定閾值，則返回步驟2開始下一個工作流程。

圖6 系統(tǒng)軟件工作流程圖

4 測試結果

通過對元器件進行焊接調(diào)試，實現(xiàn)硬件功能，然后將編寫好的C程序下載至硬件并開展聯(lián)調(diào)聯(lián)試，實現(xiàn)軟件功能，監(jiān)控終端實物如圖7所示。

圖7 監(jiān)測終端節(jié)點實物圖

監(jiān)控云平臺在已有的設備在線平臺上進行二次開發(fā)，該軟件平臺僅需拖拽現(xiàn)有可視化組態(tài)即可生成監(jiān)控界面，監(jiān)控界面可實時顯示大棚溫度、濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)。實時監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 實時監(jiān)控界面圖

5 結論

課題組設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫度、濕度和光照強度等影響溫室大棚蔬果種植因素的實時監(jiān)測。測試結果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，極大地提高了大棚管理效率。