李開旭

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266525）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)形式正在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向數(shù)字農(nóng)業(yè)、精確農(nóng)業(yè)再到智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變[1]。我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著不可替代作用。如今，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)大棚種植大多還是以傳統(tǒng)種植方式為主，智能化程度低，消耗人力嚴(yán)重，種植者無法準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行科學(xué)管理，利用有限的土地創(chuàng)造出更多的農(nóng)作物產(chǎn)量，提升作物產(chǎn)值。所以我國必須進(jìn)行大棚農(nóng)業(yè)種植升級(jí)轉(zhuǎn)型，根據(jù)傳統(tǒng)大棚作物缺陷，智慧溫室大棚系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、阿里云等開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套智慧溫室大棚系統(tǒng)。智慧溫室大棚能夠根據(jù)不同作物對(duì)環(huán)境的不同要求進(jìn)行智能感知與調(diào)控，使大棚種植向高效率、高產(chǎn)量、低成本的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步轉(zhuǎn)變。

1 智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

智慧溫室大棚系統(tǒng)是基于阿里云平臺(tái)，主要由智能傳感器、MCU、被控部件和人機(jī)交互界面組成，多重傳感器分別用來測(cè)量作物環(huán)境溫濕度、土壤濕度、棚內(nèi)紫外線強(qiáng)度、CO2濃度、土壤pH 等；控制部件采用STM32F407 單片機(jī)作為微控制器；被控部件主要由調(diào)溫設(shè)備、控濕設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、噴灑設(shè)備、CO2發(fā)生器構(gòu)成，人機(jī)交互界面主要是PC 界面與底層數(shù)據(jù)顯示界面[2]。在保證智能溫室大棚軟件系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，通過優(yōu)化底層硬件提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性[3]。智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 智慧溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

傳感器作為系統(tǒng)的感知部分，也為系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。智能傳感器將采集到的作物環(huán)境溫濕度、棚內(nèi)紫外線強(qiáng)度、CO2濃度等信息通過微處理器STM32F407 單片機(jī)處理，通過4G Cat 1 模組上傳至阿里云平臺(tái)，阿里云平臺(tái)針對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境信息做出分析與反饋。

2 智慧溫室大棚系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

溫濕度傳感器具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、功耗低、控制簡單等特點(diǎn)，在選擇溫濕度傳感器時(shí)，考慮到溫室大棚內(nèi)的環(huán)境溫度和濕度對(duì)作物影響狀況，且系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求較高，同時(shí)用戶希望系統(tǒng)能夠操作簡單，因此，系統(tǒng)選擇常見的DHT11 溫濕度傳感器作為測(cè)量大棚內(nèi)的溫濕度情況[4]。圖2為智慧溫室大棚系統(tǒng)的溫濕度傳感器電路圖。

圖2 溫濕度傳感器電路圖

在我國大棚作物的快速發(fā)展之下，土壤濕度也漸漸成為作物生長的一個(gè)重要參考。土壤濕度傳感器中濕敏電容的電容值可用來判斷土壤濕度變化情況，土壤濕度與電容值呈正比關(guān)系，土壤中的濕度越大，電容的值越大。土壤濕度傳感器對(duì)大棚內(nèi)的土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)后，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到阿里云平臺(tái)，當(dāng)時(shí)土壤中水平含量偏低時(shí)，云端將會(huì)發(fā)出指令啟動(dòng)噴灑設(shè)備進(jìn)行噴灑[5]。圖3為智慧溫室大棚系統(tǒng)的土壤濕度傳感器電路圖。

圖3 土壤濕度傳感器電路圖

CO2是植物光合作用的重要原料，當(dāng)溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度較低時(shí)，將會(huì)抑制農(nóng)作物的光合作用，降低農(nóng)作物的產(chǎn)量。二氧化碳濃度過高時(shí)，會(huì)影響到大棚內(nèi)農(nóng)作物的有氧呼氣，也會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生危害。因此，及時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度對(duì)農(nóng)作物的生長發(fā)育有著重要作用。二氧化碳濃度不合理時(shí)，阿里云平臺(tái)將會(huì)下達(dá)指令啟動(dòng)二氧化碳發(fā)生器或通風(fēng)設(shè)備，使二氧化碳濃度控制在利于農(nóng)作物生長的范圍內(nèi)。圖4為智慧溫室大棚系統(tǒng)的CO2氣體檢測(cè)傳感器電路圖。

圖4 CO2 氣體檢測(cè)傳感器電路圖

2.2 智慧溫室大棚系統(tǒng)的微控制器

智慧溫室大棚系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)對(duì)智能溫室大棚精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)控制器模塊的運(yùn)算能力要求較高，故選擇STM32F407 單片機(jī)作為微控制器[6]。STM32F407 單片機(jī)基于CortexTM-M4 內(nèi)核設(shè)計(jì)的，最高頻率能夠達(dá)到168 MHz，該控制器集成了定時(shí)器、多種I/O 接口、ADC、DAC、中央處理器CPU、CRC 計(jì)算單元等完整外設(shè)，相當(dāng)于一個(gè)小型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力[7]。并且，STM32F407 單片機(jī)具有體積小、性價(jià)比高、操作靈活和接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，通過物聯(lián)網(wǎng)中間件即可實(shí)現(xiàn)云端對(duì)溫室大棚的遠(yuǎn)程控制。

2.3 智慧溫室大棚系統(tǒng)的被控模塊

被控模塊主要用來控制棚內(nèi)的調(diào)溫設(shè)備、控濕設(shè)備、噴灑設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行，智慧溫室大棚系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有自動(dòng)化控制板，阿里云平臺(tái)在感知到異常數(shù)據(jù)時(shí)，可以自動(dòng)發(fā)出指令對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制。管理員也可查看云端或手機(jī)端的棚內(nèi)作物生長狀況。通過智慧溫室大棚手動(dòng)控制與自動(dòng)控制相結(jié)合的方式，使大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到最優(yōu)值。

系統(tǒng)的底層傳感器將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后，通過通信模塊把數(shù)據(jù)傳給阿里云端，作物環(huán)境參數(shù)與阿里云端預(yù)先設(shè)好的定值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)某一參數(shù)的值達(dá)到設(shè)定好的閾值，云端下達(dá)控制指令，控制指令再經(jīng)過通信模塊反饋到控制節(jié)點(diǎn)上。控制設(shè)備收到命令后，開始工作，對(duì)溫室大棚進(jìn)行調(diào)溫、控濕、噴灑等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的智能調(diào)控[8]。

3 智慧溫室大棚系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

慧溫室大棚系統(tǒng)基于阿里云平臺(tái)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)顯示、程序控制、算法分析三大部分。系統(tǒng)啟動(dòng)之后進(jìn)行初始化，底層傳感器將獲取的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理，通過通信模塊上傳阿里云平臺(tái)，阿里云平臺(tái)可遠(yuǎn)程下發(fā)指令。為更好地觀察農(nóng)作物生長情況，底層使用LCD 1602 顯示屏將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化。系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，可記錄棚內(nèi)CO2濃度、溫度、濕度、土壤pH 值等歷史數(shù)據(jù)，以及農(nóng)作物的生長情況。通過引入長短期記憶網(wǎng)絡(luò)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，建立農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，對(duì)已知的數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，尋找能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量最大化的環(huán)境參數(shù)閾值。當(dāng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時(shí)，通過控制設(shè)備適當(dāng)調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法智能設(shè)置閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的分析、預(yù)測(cè)和評(píng)估[9]。智慧溫室大棚系統(tǒng)可視化界面如圖5所示。

圖5 棚內(nèi)作物環(huán)境變量可視化界面

4 阿里云平臺(tái)

阿里云，阿里巴巴旗下的子公司，是全球領(lǐng)先的云計(jì)算及人工智能科技公司，阿里云能夠提供強(qiáng)大的云計(jì)算服務(wù)[10]。在使用阿里云平臺(tái)時(shí)，首先注冊(cè)一個(gè)阿里云賬號(hào)，之后可以通過APP 掃碼或者輸入賬號(hào)密碼方式登錄，在阿里云菜單欄中找到“云服務(wù)器ECS”并點(diǎn)擊，用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇可用區(qū)、實(shí)例規(guī)格、使用年限、操作系統(tǒng)等，完成云服務(wù)器創(chuàng)建。之后用戶可通過控制臺(tái)或XShell 等工具連接服務(wù)器，最后部署應(yīng)用。阿里云控制臺(tái)為用戶提供了直觀清晰的用戶頁面，使用簡單的操作就可以對(duì)溫室大棚進(jìn)行控制，在管理Web 應(yīng)用程序時(shí)提供了極大的便利。阿里云平臺(tái)為系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)、發(fā)布、處理、應(yīng)用等功能，在人機(jī)交互方面有著很好的表現(xiàn)[11]。

5 結(jié) 語

傳統(tǒng)溫室大棚在農(nóng)作物收益方面取得的效果并不理想，消耗人力嚴(yán)重，難以實(shí)時(shí)獲取棚內(nèi)作物生長的環(huán)境溫濕度、土壤pH 值、CO2濃度以及棚內(nèi)紫外線強(qiáng)度等信息，棚內(nèi)生產(chǎn)大部分依靠人力完成，人工成本較高。針對(duì)傳統(tǒng)大棚暴露出的問題，設(shè)計(jì)智慧溫室大棚系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化管理。智慧溫室大棚系統(tǒng)基于微控制器、傳感器、通信模塊、顯示屏等部件，利用現(xiàn)代化的環(huán)境感知和智能控制技術(shù)提高棚內(nèi)作物生產(chǎn)的智能化水平。智慧溫室大棚作為我國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，能夠進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)溫室大棚升級(jí)轉(zhuǎn)型，加快我國鄉(xiāng)村振興。