續(xù)劍英，張奧，賈超，侯彥澤

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧 大連 116092）

1 前言

農(nóng)業(yè)大棚是一種人工建造的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，在延伸種植季節(jié)、保護環(huán)境、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和促進科技創(chuàng)新等方面為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了許多積極的影響和發(fā)展機會。溫度對農(nóng)業(yè)大棚具有重要性，它影響著作物的生長與發(fā)育、抗逆能力、病蟲害控制、資源利用以及生產(chǎn)的穩(wěn)定性?？茖W(xué)合理地控制溫度，將有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益、保障糧食安全，促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

從整體來看，盡管我國是溫室種植的發(fā)源地之一，但在城市化建設(shè)逐漸加速的情況下，我國可耕種土地的面積呈逐年減小的趨勢。從2004年開始，我國政府連續(xù)16年發(fā)布了以農(nóng)業(yè)為主題的中央一號文件，而最新的《2030年前碳達峰行動方案》中，國務(wù)院提出了強化生產(chǎn)效能的重點設(shè)備節(jié)能措施，積極推動綠色低碳循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，支持設(shè)施農(nóng)業(yè)等低碳農(nóng)業(yè)模式。這對于我國正處于由傳統(tǒng)的“粗放、低效率的生模式”向“精細農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式”過渡的設(shè)施農(nóng)業(yè)，提出了更高的要求。

文本構(gòu)建了一套以樹莓派為主體的農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在面對棚內(nèi)溫度超出設(shè)定閾值時，會觸發(fā)系統(tǒng)報警機制并驅(qū)動棚內(nèi)設(shè)備對環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)，使得棚內(nèi)作物生長保持在適宜的范圍內(nèi)，該系統(tǒng)可以集成能源管理模塊，監(jiān)測和控制溫室內(nèi)的能源消耗。通過合理調(diào)控加熱器、通風(fēng)設(shè)備等能耗設(shè)備的運行時間和功率，系統(tǒng)可以降低能源消耗，提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1 硬件設(shè)計

本文提出的控制系統(tǒng)通過溫度傳感器實時監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的溫度變化。主控制器（樹莓派）會對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并根據(jù)需要自動調(diào)整遮陽布、加熱器、通風(fēng)窗等設(shè)備的運行狀態(tài)，以維持理想的環(huán)境條件。同時，系統(tǒng)還提供了云平臺和終端設(shè)備，使操作人員可以直觀地查看數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的操作。這樣，操作人員可以及時了解農(nóng)業(yè)大棚的溫度情況，做出相應(yīng)的調(diào)整，確保作物得到良好的生長環(huán)境。整個系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了便捷和智能化的解決方案（圖1）。

圖1 溫控系統(tǒng)整體框架

在本設(shè)計方案中，溫控系統(tǒng)的整體框架以中央控制器為核心，中央控制器部分選用了樹莓派，通過溫度傳感器對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境因子進行實時監(jiān)測。監(jiān)測到的數(shù)據(jù)將傳送至樹莓派，樹莓派會與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進行比較，并根據(jù)對比設(shè)定閾值的比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)設(shè)備，達到對大棚內(nèi)環(huán)境相應(yīng)的參數(shù)進行及時合理調(diào)節(jié)的目的。

同時，利用通訊模塊傳遞采集參數(shù)信息至云平臺直觀地展示了所檢測到的溫度數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)定的溫度范圍。此外，其歷史數(shù)據(jù)進行分析功能，可提供數(shù)據(jù)報表和趨勢預(yù)測，通過手機等終端設(shè)備，幫助用戶更好地了解大棚環(huán)境變化規(guī)律和作出相應(yīng)的調(diào)整。這樣的設(shè)計使得農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境能夠達到農(nóng)作物最適宜生長的標準。該設(shè)計的優(yōu)點在于成本低、效率高，同時也能有效節(jié)約資源。溫控系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫控系統(tǒng)的硬件組成

2.2 溫控模塊設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集模塊選型。本設(shè)計方案采用了RS485型溫濕度變送器來監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚的溫度數(shù)據(jù)。該設(shè)備通過485信號輸出數(shù)據(jù)，具有更高的測量精確度。為了實現(xiàn)與樹莓派的通信，我們使用了MAX485芯片來完成485信號的轉(zhuǎn)換，并確保通信的穩(wěn)定性和可靠性。通過這種設(shè)計，我們可以準確地獲取農(nóng)業(yè)大棚的溫度數(shù)據(jù)，并將其傳輸給樹莓派進行處理和控制。這樣的方案可以保證數(shù)據(jù)的準確性，并提供穩(wěn)定可靠的通信連接，以確保系統(tǒng)的正常運行。

MAX485是一款常用于RS-485通訊的芯片，其端口功能如表1所示。

表1 芯片引腳接線

A線和B線為差分信號線，用于RS-485通訊的數(shù)據(jù)傳輸；RO（Receiver Output）為接收器輸出端口，用于輸出經(jīng)過解調(diào)的接收數(shù)據(jù)信號；DI（Driver Input）為驅(qū)動器輸入端口，用于輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號；供電端口VCC連接正極電源，GND連接負極地線。

通過以上端口的合理連接，可實現(xiàn)大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。

RS485型溫濕度變送器的重要性能指標有：供電電源，設(shè)定10～30（DC）；刷新時間，設(shè)定1s；檢測范圍，包含溫度（-40～+80℃），濕度（0%RH～100%RH）；信號輸出，為RS485。

（2）云端環(huán)境配置。智能農(nóng)業(yè)是一種以應(yīng)用先進技術(shù)和創(chuàng)新為解決方案的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，旨在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低資源消耗、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。智能農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，將傳感器、自動化設(shè)備等應(yīng)用于農(nóng)田管理、養(yǎng)殖業(yè)和溫室種植等領(lǐng)域，實現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)管理和優(yōu)化決策。

本文提出的農(nóng)業(yè)大棚溫控系統(tǒng)利用阿里云平臺與樹莓派進行關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)實例并添加設(shè)備，在樹莓派上配置連接，并通過API上傳數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，API是一種定義了功能和數(shù)據(jù)交互規(guī)則的接口，為開發(fā)者提供了更方便、高級的接口和工具，用于快速構(gòu)建應(yīng)用程序。首先將樹莓派接入物聯(lián)網(wǎng)平臺，選擇Python語言作為樹莓派的編譯語言，Python 3支持MQTT需要以Paho-MQTT的庫的支持為基礎(chǔ)，建立物聯(lián)網(wǎng)平臺連接的主要流程如圖3所示。

圖3 樹莓派連接物聯(lián)網(wǎng)平臺的步驟

（3）中央處理器選型。本系統(tǒng)的設(shè)計將樹莓派3B+作為系統(tǒng)的中央處理器，樹莓派3B+采用了Broadcom BCM2837B0 SoC（System on a Chip），內(nèi)置1.4GHz的64位四核ARM Cortex-A53處理器，性能相較前代有所提升。同時具有40個引腳（GPIO引腳），這些引腳可以用于連接外部設(shè)備，拓展樹莓派的功能。其中，引腳接口的分配如表2所示。

表2 相關(guān)引腳/接口的分配

程序運行成功后，設(shè)備將接入阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)通信。設(shè)備每隔10s上報一次自己的數(shù)據(jù)，并且會響應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的控制指令。

2.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)還具備自動控制功能，根據(jù)事先設(shè)定的閾值，能夠智能地控制附加設(shè)備，如加熱器、灌溉系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)備，以保持理想的環(huán)境條件。此外，鑒于塞北地區(qū)獨特的氣候環(huán)境，白天不僅可以促進作物的生長還可以實現(xiàn)從太陽能中提取熱量，并將其轉(zhuǎn)化為供熱，在夜間大棚溫度過低時，利用通風(fēng)機將白天光照儲蓄的熱量傳輸至棚內(nèi)，以維持溫室內(nèi)恒溫環(huán)境。通過上述結(jié)構(gòu)設(shè)計可實現(xiàn)智能控制，滿足農(nóng)業(yè)大棚溫度需求，并且不會干燥環(huán)境，上述結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，同時具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

通過自動化調(diào)控這些設(shè)備，可以提高作物的生長效率，同時減少資源的浪費。系統(tǒng)會根據(jù)傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行實時分析和判斷，一旦環(huán)境參數(shù)偏離設(shè)定的范圍，系統(tǒng)會自動啟動或關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備，以使環(huán)境恢復(fù)到理想狀態(tài)。這種自動控制功能不僅節(jié)省了人工操作的時間和精力，還能夠確保農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境始終處于最佳狀態(tài)，促進作物的健康生長。具體內(nèi)容如下。

（1）系統(tǒng)采集與分析數(shù)據(jù)流程。溫濕度傳感器開啟后，會按固定頻次采集環(huán)境當中的溫濕度數(shù)據(jù)，并將其輸送給中央處理器樹莓派，中央處理器會根據(jù)提前編寫好的相應(yīng)的數(shù)值信息進行數(shù)據(jù)處理，依照輸入溫濕度范圍，進行數(shù)值判定，當檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)大于所輸入溫濕度的范圍時，則樹莓派發(fā)出打開風(fēng)機和除濕器的執(zhí)行指令；所檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)小于所輸入溫濕度的范圍時，則樹莓派發(fā)出打開熱泵裝置和灌溉裝置的指令。另外設(shè)置了內(nèi)部輔助元件。只有當元件被復(fù)位，樹莓派才能夠確認設(shè)備處于所要求的執(zhí)行狀態(tài)。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

（2）云端界面設(shè)計。本系統(tǒng)以阿里云服務(wù)器提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)樹莓派與物聯(lián)網(wǎng)云端的對接。然后在云端控制平臺進行產(chǎn)品的創(chuàng)建以及設(shè)備的添加，最后啟動樹莓派終端，在paho-mqtt等第三方庫的支持下建立硬件設(shè)備與云端平臺的信息關(guān)聯(lián)。

（3）云平臺可視化控件組成。系統(tǒng)裝備了一系列傳感器，可以監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚中的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、光照、土壤濕度和二氧化碳濃度等。這些傳感器通過樹莓派設(shè)定采樣周期進行數(shù)據(jù)采集，并借助WiFi連接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器上。將樹莓派傳遞來的參數(shù)信息通過Web界面顯示，具體配置信息如圖5所示，監(jiān)控平臺可視化界面如圖6所示。

圖5 云端界面配置

圖6 云端設(shè)計界面展示

同時，為了方便用戶及時獲知傳感器設(shè)備采集到的大棚內(nèi)部環(huán)境信息，以阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)構(gòu)建移動端應(yīng)用開發(fā)，通過可視化移動應(yīng)用，用戶可以隨時使用智能手機或電腦來訪問這些數(shù)據(jù)，隨時獲知大棚內(nèi)部信息，從而發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的功能，移動端可視化界面如圖7所示。

圖7 移動端可視化界面

3 結(jié)語

本文提出了一種基于樹莓派的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)大棚作為應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)利用樹莓派作為中央處理，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫濕度的監(jiān)控。在程序運行過程中，樹莓派接收由溫濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理和分析后，對棚內(nèi)的溫濕度進行相應(yīng)調(diào)整，確保作物始終處于適宜的環(huán)境條件下，保證了農(nóng)作物質(zhì)量。同時，系統(tǒng)還建立了硬件設(shè)備與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了信息的遠程監(jiān)控。借助樹莓派強大的計算能力和靈活的GPIO引腳，可以連接各類傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)更精細化的溫濕度控制，系統(tǒng)結(jié)合溫度感知、設(shè)定閾值、報警機制、溫度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄與分析以及遠程監(jiān)控與控制等功能，將能夠有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和可持續(xù)發(fā)展。