摘要：近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術在溫室大棚管理方面的應用越來越廣泛，人們可以利用智能識別和傳感功能，對溫室大棚的環(huán)境進行實時監(jiān)測和調(diào)控。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能溫室大棚系統(tǒng)，可實時采集溫室大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤濕度、CO2、光照補償?shù)葦?shù)據(jù)，并通過手機App接收數(shù)據(jù)和預設相關參數(shù)。當所接收數(shù)據(jù)超出預設范圍時，系統(tǒng)發(fā)出警報并觸發(fā)對應的補償措施。最后，通過一系列可視化模擬實驗，驗證了該系統(tǒng)的功能可靠有效。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術；智能識別；傳感功能；實時監(jiān)測；溫室大棚系統(tǒng)；可視化模擬實驗

中圖分類號：TP309.7 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0025-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著信息技術的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)方面的應用越來越廣泛。過去，傳統(tǒng)的溫室大棚依靠人力來管理，通常以人工測量方式觀察作物生長相關數(shù)據(jù)，這不僅浪費了大量的人力和物力資源，而且由于獲取的信息不夠準確，農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量也不盡如人意。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術逐步應用于溫室大棚管理。劉玉芹等提出了基于LabVIEW的溫室大棚遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[1]；李建玲提到了以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的智慧溫室大棚蔬菜種植技術[2]；李林提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)精準控制研究[3]；郭穎提出了基于STM32F103的智慧大棚無線溫度傳感器節(jié)點設計[4]；李開旭提出了基于阿里云的智慧溫室大棚系統(tǒng)設計[5]。通過利用智能識別和傳感功能，人們可以實時獲取大棚環(huán)境數(shù)據(jù)并進行分析和調(diào)控。

本文設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能溫室大棚系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器采集空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照補償?shù)葦?shù)據(jù)，并通過手機App來接收和設置相關數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境變化自動控制相關裝置的開啟或關閉。最后，通過一系列模擬實驗，驗證了該智能溫室大棚系統(tǒng)的功能可靠有效。

1 總體方案設計

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能溫室大棚系統(tǒng)是一套基于單片機STM32F103C8T6的自動澆水、通風和補光控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構包括內(nèi)部主控模塊、外部感應模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、報警模塊以及手機App等幾大部分，如圖1所示[6]。其中，主控模塊為STM32，外部感應模塊則由空氣溫濕度傳感器、光敏電阻傳感器、GY-SGP30氣體傳感器和土壤濕度傳感器組成[7]。

當系統(tǒng)開始工作時，首先由外部感應模塊收集當前空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度和CO2濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送給STM32主控模塊。主控模塊將這些數(shù)據(jù)通過OLED顯示屏實時顯示出來，同時也可以通過藍牙將這些數(shù)據(jù)上傳到用戶智能手機App中，用戶可在App中重新設定各部分參數(shù)范圍。如果在此期間系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境實時數(shù)據(jù)超出設定范圍，則會觸發(fā)蜂鳴器報警，緊接著相應的灌溉、通風和加熱補光設備將在主控系統(tǒng)的控制下開始運行。

2 系統(tǒng)硬件組成

本文的硬件系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由STM32主控模塊、OLED液晶屏、DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、GY-SGP30氣體傳感器、GM5516光敏電阻傳感器以及HC-05藍牙模塊組成。

（1） STM32主控模塊 （2） OLED液晶屏

（3） DHT11 溫濕度傳感器 （4）土壤濕度傳感器

（5） GY-SGP30 氣體傳感器 （6） GM5516光敏電阻傳感器

（7） HC-05 藍牙模塊

2.1 STM32 主控模塊

如圖 3-（1） 所示，STM32F103C8T6 基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核，是 STM32 系列的 32 位微控制器 [8]。它不僅能夠控制各元件和模塊，也能夠實現(xiàn)軟件執(zhí)行，是本文系統(tǒng)的主控芯片。

2.2 OLED 液晶屏

如圖 3-（2） 所示，與 LCD 相比，OLED 液晶屏采用了多層薄膜有機材料，在較小電流經(jīng)過時便能發(fā)光，無需背光燈；且 OLED 亮度更高、更清晰、更節(jié)能省電[9]。因此，本文選擇了 OLED 液晶屏。

2.3 DHT11 溫濕度傳感器

如圖 3-（3） 所示，DHT11 溫濕度傳感器是一款集數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術于一體的溫濕度復合傳感器。它包括一個電阻式測濕元件和一個負溫度系數(shù)測溫元件（NTC） [10]。隨著環(huán)境溫濕度變化，元件的電氣特性會發(fā)生相應改變，并轉化成數(shù)字信號進行處理。由于每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，因此精度很高，適合大棚溫濕度監(jiān)測。

2.4 土壤濕度傳感器

如圖 3-（4） 所示，土壤濕度傳感器一端為金屬的 U 型濕度傳感器探頭。工作時，應將該探頭插入土壤中。如果土壤濕度較小，則兩個插片之間的電阻很大，繼電器無法獲得電，LED 燈不亮；如果土壤濕度較大，則兩個插片之間的電阻減小，繼電器獲得電，LED 燈點亮。因此，該傳感器能準確感應土壤濕度，適合為農(nóng)作物提供灌溉。

2.5 GY-SGP30 氣體傳感器

如圖 3-（5） 所示，GY-SGP30 氣體傳感器內(nèi)部集成了4個氣體傳感元件，具有完整校準空氣質(zhì)量輸出信號。由于其小巧且易于集成，被廣泛應用于諸如甲醛檢測、環(huán)境監(jiān)測等領域。本文系統(tǒng)采用它來檢測空氣中的 CO2 濃度。

2.6 GM5516 光敏電阻傳感器

如圖 3-（6） 所示，光敏電阻是一種半導體材料制成的電阻。當受到足夠強度的光照時，其內(nèi)部電子受到激發(fā)，從而阻值發(fā)生變化。該變化通過外圍電路轉換成電信號，能夠被電子設備讀取和處理 [11-12]?；谶@一特性，光敏電阻傳感器通常應用在智能家居的室內(nèi)光線控制和智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境光照強度檢測中。

2.7 HC-05 藍牙模塊

如圖 3-（7） 所示，作為串口通信模塊，HC-05 藍牙模塊能夠將串口數(shù)據(jù)轉換成藍牙信號，實現(xiàn)與手機、電腦等電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.8 其他設備

本系統(tǒng)其他設備還包括一套 5V 小風扇+繼電器，作為通風設備；一個小水泵，作為補水灌溉設備；一個照明小燈泡，作為補光設備；一個加熱器，作為升溫設備；一個蜂鳴器，作為報警設備。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)軟件使得用戶可以通過操作手機 App，接收智能溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2 濃度、光照強度等實時數(shù)據(jù)，并為這些數(shù)據(jù)設置一定的閾值。當有數(shù)據(jù)超過閾值限度時，即可觸發(fā)蜂鳴器報警，同時啟動相關設備進行補水、補光、通風等操作。其具體設計流程如圖 4 所示：

（1） 系統(tǒng)初始化：此部分不僅包括主控芯片（引腳、時鐘等）的初始化設置，還包括對 OLED 顯示屏的初始化配置。

（2） OLED 液晶顯示：所有的數(shù)值均通過 OLED 顯示屏顯示出來，方便用戶實時監(jiān)測。

（3） 傳感器數(shù)據(jù)采集：利用庫函數(shù)或者代碼，讀取系統(tǒng)中各感應模塊的數(shù)據(jù)；再通過接口與主控芯片通信，從而獲得空氣溫濕度、土壤濕度、空氣中 CO2 含量和光照強度的準確數(shù)值。

（4） 判斷數(shù)據(jù)結果：根據(jù)接收到的空氣溫濕度、土壤濕度、空氣中 CO2 含量和光照強度數(shù)值進行相應的判斷，確定其是否超出預設范圍。

（5） 控制執(zhí)行器：根據(jù)（4） 中數(shù)據(jù)的判斷結果，啟動對應的補償設備，如土壤濕度不夠時需啟動水泵、光照不足時需啟動 LED 照明燈等；通過控制該補償設備執(zhí)行器的相應引腳電平或觸發(fā)繼電器，實現(xiàn)其開啟或關閉。

（6） 設置循環(huán)運行：在程序設計中設置循環(huán)運行上述（3） ～（5） 步驟，以確保系統(tǒng)能夠持續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、判斷數(shù)據(jù)結果及控制執(zhí)行器的操作。

（7） 交互功能：用戶可以通過界面接收相關數(shù)據(jù)，并且能夠自行設置相關參數(shù)等。

另外，在程序設計過程中，還應充分考慮系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和與硬件的兼容性，以保證智能溫室大棚系統(tǒng)的穩(wěn)定、正常運行。圖 5 為程序設計的部分代碼以及 App 用戶界面：

4 可視化模擬實驗展示

本文將通過軟、硬件操作對該智能大棚系統(tǒng)進行模擬實驗，以驗證其功能。實驗包括空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度等方面的監(jiān)測與調(diào)控。首先連接藍牙，具體實驗步驟如下：

4.1 空氣溫濕度監(jiān)測功能模擬實驗

由于環(huán)境溫濕度不易模擬，本文通過 App設置空氣溫度和濕度的閾值來測試系統(tǒng)功能。當前室內(nèi)溫度和濕度分別為24℃ 和53%。首先將溫度的閾值改為30℃，模擬當前空氣溫度不夠高，此時蜂鳴器紅燈亮起并發(fā)出報警，同時開啟加熱功能；接下來將溫度的閾值還原為20℃，再將濕度的閾值改為50%，模擬當前空氣濕度過高，此時蜂鳴器再次紅燈亮起并發(fā)出報警，同時開啟風扇，如圖6所示，報警器紅燈亮，風扇開啟通風功能。此部分驗證了本系統(tǒng)具有較好的空氣溫濕度監(jiān)測與調(diào)節(jié)功能。

4.2 土壤濕度監(jiān)測功能模擬實驗

將土壤濕度傳感器的兩個金屬插片從水中拔出來，模擬當前土壤缺水狀態(tài)，此時蜂鳴器紅燈亮起并發(fā)出報警，同時水泵開始工作，及時給土壤補充水分。此部分實驗驗證了本系統(tǒng)具有較好的土壤濕度監(jiān)測與補水功能。

4.3 CO2濃度監(jiān)測功能模擬實驗

對準氣體傳感器呼氣，使得傳感器檢測到空氣中的CO2超標，此時蜂鳴器紅燈亮起并發(fā)出報警，同時風扇再次開啟，打開通風功能。此部分實驗驗證了本系統(tǒng)具有較好的CO2濃度監(jiān)測與通風功能。

4.4 光照強度監(jiān)測功能模擬實驗

將光敏電阻傳感器遮擋，模擬當前環(huán)境光照不足，此時蜂鳴器發(fā)出報警，同時補光燈開啟，如圖 7 所示，及時彌補光照不足的影響。此部分實驗驗證了本系統(tǒng)具有較好的光照強度監(jiān)測與補光功能。

5 結論

本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計兩部分。首先通過硬件系統(tǒng)中的各傳感器模塊進行空氣溫濕度、土壤濕度、CO2 濃度、光照強度等數(shù)據(jù)采集；其次所采集的數(shù)據(jù)既可在 OLED 屏幕上展示，也可通過藍牙在手機App界面展示，并重新設置各參數(shù)范圍；最后，通過一系列溫室大棚環(huán)境可視化模擬實驗，驗證了該系統(tǒng)能夠較好地對溫室大棚的空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度、異常報警等方面進行監(jiān)測與調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)檢測準確，操作響應及時準確，充分體現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢。因此，該系統(tǒng)可有效提升工作效率，且成本低、操作方便，具有較廣泛的應用前景。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】