楊媛鈁

（湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 常德卷煙廠，湖南 常德 415000）

0 引 言

農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式的轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢(shì)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)能夠有效地節(jié)省人力物力，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。利用傳感器檢測(cè)、WiFi 無線通信、手機(jī)APP 開發(fā)等技術(shù)[1-3]，設(shè)計(jì)一個(gè)基于APP 技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，使用APP 實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并對(duì)其參數(shù)歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢、圖形化統(tǒng)計(jì)等功能，同時(shí)能夠設(shè)置各個(gè)參數(shù)的閾值，當(dāng)實(shí)際值不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，APP 將進(jìn)行語音報(bào)警，直至參數(shù)恢復(fù)至閾值范圍內(nèi)，報(bào)警停止。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于APP 技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)終端和APP 調(diào)控兩部分組成[4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)終端包括STM32F103RCT6 最小應(yīng)用系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、LoRa無線組網(wǎng)模塊、WiFi 無線通信模塊、輸出調(diào)控模塊以及人機(jī)接口模塊等。各傳感器完成農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的采集，并且數(shù)據(jù)會(huì)顯示在OLED 屏上；通過LoRa 無線組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)傳輸，通過WiFi 無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫以及手機(jī)APP 中，若環(huán)境參數(shù)偏離，可自動(dòng)/手動(dòng)控制輸出調(diào)控系統(tǒng)。APP 調(diào)控由服務(wù)器端和APP 端構(gòu)成，APP 端基于HTTP 協(xié)議，利用Post/Get 請(qǐng)求方法，連接服務(wù)器的IP 地址和API 端口，從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器接收到手機(jī)APP 端發(fā)送的控制或者設(shè)置閾值指令，則通過WiFi 無線通信模塊將指令下發(fā)，遠(yuǎn)程無線操控農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的調(diào)控系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 終端硬件

系統(tǒng)終端硬件電路如圖2所示。STM32F103RCT6 基本應(yīng)用系統(tǒng)中包括電源接口、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、SWD 程序下載電路和程序引導(dǎo)電路。無線通信電路由WiFi 接口電路和LoRa 接口電路組成，其WiFi 模塊采用ESP8266[5]，它是一款串口轉(zhuǎn)無線模塊芯片，用于上傳數(shù)據(jù)。LoRa 模塊選用ATK-LORA-V1.5 芯片，由終端節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成無線傳感網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)傳輸，兩者都是使用串口與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。環(huán)境監(jiān)測(cè)電路由溫濕度檢測(cè)電路和光照度檢測(cè)電路組成，溫濕度檢測(cè)電路采用DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部包括兩個(gè)關(guān)鍵的檢測(cè)元件，即NTC測(cè)溫元件和電阻式感濕元件。該傳感器是單總線結(jié)構(gòu)，只需要使用一根數(shù)據(jù)線與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和控制。光照度檢測(cè)電路采用GY-30 光照強(qiáng)度傳感器，其主控芯片為BH1750FV1，內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC 采集和晶振等組成，通過I2C 協(xié)議與微處理器進(jìn)行通信[6]。輸出調(diào)控電路包括照明系統(tǒng)電路、灌溉系統(tǒng)電路以及環(huán)境控制系統(tǒng)電路，分別對(duì)光照度、土壤濕度、空氣溫濕度等進(jìn)行調(diào)節(jié)。顯示電路采用OLED 12864 顯示屏模塊，用于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度、濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖2 終端硬件電路

3 終端程序

終端主程序包括系統(tǒng)初始化、LoRa 組網(wǎng)、WiFi 連接服務(wù)器、環(huán)境監(jiān)測(cè)、輸出調(diào)控、上傳數(shù)據(jù)以及OLED 顯示，其流程如圖3所示。

圖3 程序流程

系統(tǒng)初始化包括I/O 口初始化、中斷初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、I2C 初始化、SPI 初始化和OLED 初始化；LoRa 組網(wǎng)是利用串口中斷函數(shù)，通過判定標(biāo)志位狀態(tài)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)；WiFi 模塊先連接熱點(diǎn)，然后連接服務(wù)器程序，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；環(huán)境監(jiān)測(cè)是調(diào)用溫濕度檢測(cè)函數(shù)和光照度檢測(cè)函數(shù)，對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)和光照度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；輸出調(diào)控是利用照明系統(tǒng)控制函數(shù)、灌溉系統(tǒng)控制函數(shù)、環(huán)境控制系統(tǒng)函數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的控制設(shè)備進(jìn)行控制；上傳數(shù)據(jù)是以TCP/IP 協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[7]，將各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過WiFi 模塊上傳至服務(wù)器端；OLED 顯示是將檢測(cè)到的各個(gè)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)顯示到OLED 屏上。

4 APP 軟件

APP 軟件功能包括用戶登錄、遠(yuǎn)程監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)以及語音報(bào)警等模塊，其系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 APP 程序流程

設(shè)置IP 地址和端口號(hào)模塊是將局域網(wǎng)分配的地址和端口號(hào)存入APP 程序中。

用戶登錄模塊是APP 連接服務(wù)器的URL 登錄端口，請(qǐng)求參數(shù)包括username 和password，賬號(hào)和密碼是在服務(wù)器注冊(cè)的賬號(hào)和密碼，請(qǐng)求參數(shù)以及響應(yīng)值是根據(jù)傳輸協(xié)議決定的，數(shù)據(jù)傳輸格式使用JSON 格式[8]，若輸入的賬號(hào)、密碼不正確，則APP 會(huì)彈出消息框，提示“賬號(hào)或密碼錯(cuò)誤”；輸入正確，APP 則進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)控界面。

遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊用于實(shí)時(shí)顯示各個(gè)環(huán)境參數(shù)，在該模塊界面中，包含對(duì)輸出調(diào)控系統(tǒng)的控制按鈕、查詢歷史數(shù)據(jù)按鈕以及設(shè)置閾值按鈕等。

若點(diǎn)擊控制按鈕，APP 則向服務(wù)器發(fā)送規(guī)定好的控制數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)作為請(qǐng)求參數(shù)，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給終端，終端進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，以達(dá)到APP 對(duì)環(huán)境參數(shù)的調(diào)控功能。點(diǎn)擊自動(dòng)控制按鈕，將控制模式設(shè)置為自動(dòng)控制，這樣終端可根據(jù)APP 設(shè)置的閾值與傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，輸出調(diào)控系統(tǒng)做出相應(yīng)調(diào)節(jié)動(dòng)作。

若點(diǎn)擊設(shè)置閾值按鈕，APP 則進(jìn)入設(shè)置閾值界面，該模塊是向服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的API 端口發(fā)送數(shù)據(jù)，請(qǐng)求參數(shù)為各類參數(shù)的上下限值。點(diǎn)擊上傳按鈕之后，設(shè)置的閾值被上傳至服務(wù)器，并且遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上的三種閾值顯示框中的數(shù)字將得到更新，若接收到的實(shí)測(cè)值不在閾值范圍內(nèi)，則APP 將自動(dòng)進(jìn)行語音報(bào)警，直至實(shí)測(cè)值恢復(fù)至閾值內(nèi)，語音報(bào)警停止。

歷史數(shù)據(jù)查詢分為3 種：第一種是折線統(tǒng)計(jì)圖查看，APP 將接收的數(shù)據(jù)存入開源數(shù)據(jù)庫LitePal 中，折線圖組件把數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)取出，作為圖形數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成折線形狀，歷史數(shù)據(jù)呈圖形化顯示出來，可以清晰地看出環(huán)境參數(shù)的變化曲線[9-10]；第二種是傳感器類型查詢，輸入需要查詢的環(huán)境參數(shù)名稱，APP 界面跳轉(zhuǎn)至該環(huán)境參數(shù)歷史數(shù)據(jù)顯示界面，可以看到所有采集的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間；第三種是時(shí)間查詢，調(diào)用服務(wù)器提供的時(shí)間查詢歷史數(shù)據(jù)的API 端口，請(qǐng)求參數(shù)為開始時(shí)間start 和結(jié)束時(shí)間end，從服務(wù)器獲取這段時(shí)間內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，顯示在相應(yīng)的表格界面，時(shí)間輸入格式如2022-03-12 13：12：12，當(dāng)然也可以通過年月日查詢，而無須精確到時(shí)分秒。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 終端硬件調(diào)試

終端工作時(shí)，OLED 顯示屏依次顯示光照度、溫度、濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)值。通過人為改變環(huán)境，如改變GY-30 傳感器的光照使光照度值變大或變小，對(duì)著DHT11 模塊吹氣以增大濕度值，將終端裝置置于冷空氣中來降低溫度，等等。通過上述操作可以證明環(huán)境監(jiān)測(cè)單元能及時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化；同時(shí)環(huán)境參數(shù)改變時(shí)，OLED 顯示屏的顯示值將相應(yīng)更新。

在APP 設(shè)置參數(shù)閾值后，終端可進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)光照度低于下限值時(shí)，照明系統(tǒng)開啟二級(jí)光照；當(dāng)光照度在閾值范圍內(nèi)時(shí)，照明系統(tǒng)開啟一級(jí)光照；當(dāng)光照度高于上限值時(shí)，照明系統(tǒng)不工作。當(dāng)土壤濕度和空氣溫濕度不在閾值范圍內(nèi)時(shí)，灌溉系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的開啟或者關(guān)閉動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)中采用發(fā)光二極管模擬。

5.2 APP 調(diào)試

APP 操作界面分別是設(shè)置端口界面、登錄界面、數(shù)據(jù)監(jiān)控界面、設(shè)置閾值界面、數(shù)據(jù)查詢界面、數(shù)據(jù)表格界面、圖形顯示界面和時(shí)間查詢界面等。

在APP 的設(shè)置端口界面連接局域網(wǎng)分配的IP 地址和端口，返回登錄界面輸入賬號(hào)和密碼，進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，說明APP 與服務(wù)器連接成功，如圖5所示。在該界面可以查看溫度、濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)值，這些檢測(cè)值與終端部分的OLED 顯示屏上顯示值相同，既說明終端和服務(wù)器的連接是成功的，也說明APP 端可以實(shí)時(shí)接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)解析正確。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

點(diǎn)擊數(shù)據(jù)監(jiān)控界面中的設(shè)置閾值按鈕，跳轉(zhuǎn)至設(shè)置閾值界面。在該界面可以上傳環(huán)境參數(shù)閾值，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值不在設(shè)置的閾值范圍內(nèi)時(shí)，APP 發(fā)出語音報(bào)警，說明閾值上傳成功。手機(jī)APP 可以對(duì)終端進(jìn)行無線遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)監(jiān)控界面有5 個(gè)控制按鈕，點(diǎn)擊按鈕，可以分別對(duì)終端進(jìn)行相應(yīng)控制；若點(diǎn)擊自動(dòng)控制按鍵，終端則根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)值與閾值的比較，做出相應(yīng)控制動(dòng)作。

點(diǎn)擊數(shù)據(jù)監(jiān)控界面中的查詢數(shù)據(jù)按鈕，跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)查詢界面。在該界面點(diǎn)擊溫度、濕度或者光照強(qiáng)度，將跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格界面，此界面中記錄了該環(huán)境參數(shù)所有數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間；點(diǎn)擊圖形統(tǒng)計(jì)按鈕，可以查看各個(gè)環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)折線圖或者柱狀圖，溫度折線圖如圖6所示；點(diǎn)擊時(shí)間查詢按鈕，跳轉(zhuǎn)至?xí)r間查詢界面，在兩個(gè)輸入框內(nèi)依次輸入需要查詢的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊搜索按鍵，服務(wù)器將根據(jù)上傳的起始時(shí)間，向APP 返回該段時(shí)間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)的所有數(shù)據(jù)以及每個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間。

圖6 溫度折線圖界面

6 結(jié) 語

基于APP 的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)實(shí)際上就是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)而言，智能化的監(jiān)控技術(shù)使得農(nóng)業(yè)工作更輕松，作物產(chǎn)量和質(zhì)量更有保障，能有效減少人工成本。智能化的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。