摘" 要：隨著科技的日新月異，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，深刻改變著各行各業(yè)的面貌。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，棉花作為重要的經(jīng)濟作物，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展對于國家經(jīng)濟具有重要影響。然而，傳統(tǒng)的種植方式和管理手段已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。近年來，我國棉花種植面積和產(chǎn)量均呈現(xiàn)下滑趨勢，同時，土壤墑情監(jiān)測的滯后、生長環(huán)境的不穩(wěn)定、機械收割的低效等問題也層出不窮，對棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)造成嚴重影響。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，該文創(chuàng)新性地提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棉花生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將眾多智能設(shè)備與傳感器無縫連接，構(gòu)建起一個數(shù)據(jù)共享、智能化管理的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這不僅能大幅提升棉花種植的自動化和智能化水平，更能有效降低農(nóng)民的勞動強度，從而提升棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：棉花；環(huán)境監(jiān)測；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；自動化；智能化

中圖分類號：F326.12" " "文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2025）05-0022-04

Abstract： With the rapid development of technology， the Internet of Things technology has developed vigorously around the world， profoundly changing the face of all walks of life. China is a large agricultural country. Cotton is an important cash crop， and its industrial development has an important impact on the national economy. However， traditional planting methods and management methods are no longer able to meet the development needs of modern agriculture. In recent years， China's cotton planting area and output have shown a downward trend. At the same time， problems such as lag in soil moisture monitoring， unstable growth environment， and inefficiency in mechanical harvesting have also emerged one after another， which has seriously affected the yield and quality of cotton. In order to meet these challenges， this paper innovatively proposes a cotton growth environment monitoring system design scheme based on Internet of Things technology. This solution uses Internet of Things technology to seamlessly connect many smart devices and sensors to build a network environment for data sharing and smart management. This can not only greatly improve the automation and intelligence level of cotton planting， but also effectively reduce the labor intensity of farmers， thereby improving cotton yield and quality.

Keywords： cotton; environmental monitoring; Internet of Things technology; automation; intelligence

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國政治穩(wěn)定和國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。清華大學(xué)歷史系教授李伯重說：“棉花及棉布是人類有史以來最重要的產(chǎn)品之一?！?棉花是我國最重要的經(jīng)濟作物之一[1]，也是生活必需品，在國防、醫(yī)藥、工業(yè)等領(lǐng)域均有著舉足輕重的作用[2]。目前我國總耕地面積正逐年減少，且糧棉爭地趨勢，日益明顯[3]。全國棉花生產(chǎn)正呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。我國棉花作物種植萎縮，近10年面積減少33.01%、產(chǎn)量減少10.57%[4]。不只如此，由于種植面積和技術(shù)的限制，我國棉花生產(chǎn)過程中還存在一些問題，例如土壤墑情監(jiān)測不及時、生長環(huán)境不穩(wěn)定、機械收割不及時等。這些問題直接影響著棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的提高，也嚴重阻礙了我國棉花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。再加上傳統(tǒng)棉花種植人力成本耗費量大，種植過程繁瑣，無法滿足棉花產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。所以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在棉花生產(chǎn)管理中的應(yīng)用具有廣闊的前景和重要的現(xiàn)實意義。它不僅有助于提升棉花產(chǎn)量和品質(zhì)，還能降低生產(chǎn)成本，促進棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在棉花的生產(chǎn)管理中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以為其提供新的技術(shù)力量和科學(xué)的生產(chǎn)種植方式，減少不必要的人力資源浪費。

1" 概念界定

1.1" 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things，IoT）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤和監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是指通過通信網(wǎng)絡(luò)將各種智能設(shè)備、傳感器、控制器等互聯(lián)起來，其核心思想是通過互聯(lián)網(wǎng)連接并交換信息，從而使得物理世界中的各種設(shè)備能夠互相溝通、協(xié)作，實現(xiàn)自動化和智能化的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)本身就是指將物體的信息通過更加智能的置換和感應(yīng)器進行傳感，為了智能地處理關(guān)于數(shù)據(jù)與人之間的聯(lián)系進行準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)傳遞的一種技術(shù)[5]。目前該技術(shù)應(yīng)用于各種生產(chǎn)生活中，極大地提高了各種生產(chǎn)生活的效率，大大減少了人工成本的投入。

1.2" 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在棉花生長環(huán)境監(jiān)測中的價值

在當(dāng)今的棉花種植領(lǐng)域，棉花的茁壯成長離不開對其生長環(huán)境的有效監(jiān)測，這對于確保棉花的豐碩產(chǎn)量以及提升產(chǎn)品的卓越質(zhì)量而言，無疑發(fā)揮著關(guān)鍵且核心的作用。然而傳統(tǒng)的監(jiān)管方式無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求，導(dǎo)致在作物產(chǎn)量上的成效達不到理想的數(shù)值。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來優(yōu)化對棉花生長環(huán)境的監(jiān)管變得尤為重要。在棉花生產(chǎn)管理中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以對棉花作物的生長環(huán)境全面監(jiān)測，而且所需的人工介入極少。農(nóng)戶們只需坐在操作終端前，便能輕松便捷地對棉花生長環(huán)境的各項數(shù)值進行實時監(jiān)測。而系統(tǒng)也會根據(jù)實際情況給出相應(yīng)的指示。農(nóng)戶們依據(jù)這些指示，可以對棉花生長中出現(xiàn)的各種問題情況采取及時且行之有效的解決措施。

2" 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棉花生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及功能實現(xiàn)

2.1" 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由棉花生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和棉花生長環(huán)境控制系統(tǒng)兩大部分組成，如圖1所示。

該系統(tǒng)包括采集節(jié)點（傳感器）、數(shù)據(jù)分析節(jié)點（監(jiān)控系統(tǒng)）、反饋節(jié)點（微信小程序、效應(yīng)器）3個節(jié)點。采集節(jié)點通過各種傳感器對棉花的生長環(huán)境進行實時監(jiān)測，通過無線通信技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)分析節(jié)點進行判斷，然后監(jiān)控系統(tǒng)將處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行二次處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過云端反饋給用戶，最后用戶通過手機操作向效應(yīng)器施加命令，效應(yīng)器完成指令后，若棉花各項生長數(shù)值符合給定值，則傳感器終止反饋；反之，繼續(xù)反饋，如圖2所示。

在通信過程中，傳感器節(jié)點通過實時采集棉花生長環(huán)境中的各種參數(shù)，并將參數(shù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)將采集的環(huán)境參數(shù)處理后發(fā)送給云端，經(jīng)過云端處理后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩羰稚希缓笥脩艟涂梢詫崟r地查看棉花的生長參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

該系統(tǒng)主要功能包括棉花生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、遠程控制兩大方面。

2.2.1" 棉花生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能

該系統(tǒng)的棉花生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測功能就如同一位細致入微的守護者，時刻關(guān)注著棉花生長的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1）環(huán)境溫度監(jiān)測：準(zhǔn)確測量棉花生長環(huán)境的溫度，確保溫度處于適宜棉花生長的范圍。當(dāng)溫度過高或過低時，系統(tǒng)會及時發(fā)出警示，讓農(nóng)戶能夠迅速采取相應(yīng)的措施，如遮陽、保溫等，為棉花創(chuàng)造舒適的溫度條件。

2）環(huán)境濕度監(jiān)測：密切監(jiān)控空氣中的濕度水平。合適的環(huán)境濕度有助于棉花的正常生長和發(fā)育，過高或過低的濕度都可能引發(fā)病蟲害或影響棉花的品質(zhì)。系統(tǒng)會持續(xù)將濕度數(shù)據(jù)反饋給農(nóng)戶，以便他們通過通風(fēng)、加濕等手段進行調(diào)節(jié)。

3）土壤濕度監(jiān)測：深入探測土壤中的水分含量。土壤濕度直接關(guān)系到棉花根系的吸收和生長，系統(tǒng)能夠精確地告知農(nóng)戶土壤的干濕程度，使他們可以合理安排灌溉，避免過度澆水或干旱缺水的情況發(fā)生。

4）光照強度監(jiān)測：時刻關(guān)注著棉花所接收到的光照強度。充足的光照是棉花進行光合作用、積累養(yǎng)分的重要條件。系統(tǒng)會將光照數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)給農(nóng)戶，讓他們在必要時采取措施，如調(diào)整種植密度、搭建遮陽網(wǎng)等，以確保棉花獲得最佳的光照環(huán)境。

5）二氧化碳濃度監(jiān)測：嚴密監(jiān)測空氣中的二氧化碳含量。二氧化碳是植物進行光合作用的重要原料之一，合適的二氧化碳濃度有助于提高棉花的生長速度和產(chǎn)量。系統(tǒng)會及時反饋二氧化碳濃度信息，讓農(nóng)戶可以通過通風(fēng)、增施二氧化碳肥料等方式進行調(diào)節(jié)。

2.2.2" 遠程控制功能

系統(tǒng)的遠程控制功能為棉花種植帶來了極大的便利和高效性。

1）通過Wi-Fi模塊與騰訊云服務(wù)平臺實現(xiàn)遠程控制：借助Wi-Fi模塊的遠程傳播和強大的騰訊云服務(wù)平臺，農(nóng)戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)連接的地方遠程操控棉花生長環(huán)境的相關(guān)設(shè)備。無論是調(diào)整光照系統(tǒng)的強度和時間，還是控制通風(fēng)設(shè)備的開啟和關(guān)閉，都可以通過手機、平板電腦等終端設(shè)備輕松完成，大大節(jié)省了時間和人力成本。

2）微信小程序?qū)崿F(xiàn)便捷操作：微信小程序的應(yīng)用使得遠程控制更加簡單便捷。農(nóng)戶只需打開微信小程序，即可隨時隨地查看棉花生長環(huán)境的參數(shù)信息，并根據(jù)需要進行遠程調(diào)控。小程序界面簡潔明了，操作方便快捷，即使是不熟悉科技設(shè)備的農(nóng)戶也能輕松上手。

3）遠程調(diào)控棉花生長環(huán)境：通過遠程控制功能，農(nóng)戶可以根據(jù)系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)和提示，對棉花生長環(huán)境進行精準(zhǔn)調(diào)控。例如當(dāng)環(huán)境溫度過高時，可以遠程啟動通風(fēng)設(shè)備或遮陽設(shè)施進行降溫；當(dāng)土壤濕度不足時，可以遠程開啟灌溉系統(tǒng)進行補水。

4）實時反饋與監(jiān)控：遠程控制功能不僅可以實現(xiàn)對棉花生長環(huán)境的調(diào)控，還能將采集到的棉花生長環(huán)境參數(shù)和報警信息通過監(jiān)控系統(tǒng)實時反映給用戶。農(nóng)戶可以通過監(jiān)控系統(tǒng)隨時了解棉花的生長狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題并且采取相應(yīng)的措施。同時，系統(tǒng)還可以記錄和分析歷史數(shù)據(jù)，為農(nóng)戶提供更加科學(xué)的種植決策依據(jù)。

總之，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測棉花生長環(huán)境參數(shù)，為棉花的生長保駕護航。

2.3 系統(tǒng)硬件組成及功能

2.3.1 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)主要是由STM32F103R6作為單片機最小系統(tǒng)連接各種部件。傳感器主要包括DHTT1溫濕度傳感器、SGP30二氧化碳傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊；其他核心部件為LM016L顯示屏、ESP-01S Wi-Fi模塊、繼電器、電機、蜂鳴器、LED燈、太陽能發(fā)電板、蓄電池和按鍵等硬件。

2.3.2" 系統(tǒng)硬件功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)的兩大功能包括棉花生長環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、遠程控制。其中，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測包括：DHTT1溫濕度傳感器對棉花周圍進行溫濕度的實時測量，土壤濕度傳感器模塊對棉花周圍的土壤濕度進行實時測量，SGP30二氧化碳傳感器模塊對棉花周圍的二氧化碳濃度進行實時測量；遠程控制主要是通過ESP-01S Wi-Fi模塊和騰訊云服務(wù)平臺實時與用戶連接；繼電器保障構(gòu)成繼電器電路的散熱和灑水裝置可以順利進行；電機用于對棉花周圍環(huán)境進行散熱；LED燈用于對棉花進行補光和報警提示；蜂鳴器用于對周圍環(huán)境報警；按鍵進行報警閾值的設(shè)置和解除報警等功能；太陽能發(fā)電板和蓄電池組合可以為系統(tǒng)提供方便、清潔的能源，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。最后STM32F103R6作為單片機最小系統(tǒng)進行其他部件的鏈接；用戶可以通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)對棉花生長環(huán)境的監(jiān)測和調(diào)控。

2.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

設(shè)計一種基于STM32單片機的棉花生長環(huán)境監(jiān)測程序，涉及多個方面的內(nèi)容，包括電路設(shè)計、軟件編程以及數(shù)據(jù)處理等。

單片機選擇：STM32系列單片機適合用作控制中心，選擇STM32F103R6作為單片機最小系統(tǒng)進行其他部件的連接。

電路設(shè)計：設(shè)計連接傳感器和STM32單片機的電路，包括電源管理和信號處理電路。確保傳感器的電源和信號線與單片機接口匹配。

系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)初始化階段，需要編寫嚴謹?shù)拇a來初始化單片機。這包括配置各種外設(shè)和接口，使單片機能夠正常工作。同時，設(shè)置定時器進行周期性任務(wù)，確保系統(tǒng)能夠按時采集和處理傳感器數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與存儲：數(shù)據(jù)處理與存儲方面，要對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行精確處理?？梢詫?shù)據(jù)存儲到內(nèi)存中以便快速訪問，也可以選擇外部存儲設(shè)備如 SD 卡進行長期存儲。

通信與用戶接口：通信與用戶接口的實現(xiàn)也不可或缺。通過 ESP-01S WI-FI 模塊，系統(tǒng)能夠?qū)崟r給用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，讓用戶隨時隨地掌握棉花生長環(huán)境的狀況。

軟件測試與調(diào)試：軟件測試與調(diào)試是確保系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵步驟。在硬件上進行全面測試，確保數(shù)據(jù)讀取正確無誤，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。調(diào)試過程中，可以充分利用調(diào)試工具和串口監(jiān)視器來查看數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

用戶界面設(shè)計：通過微信開發(fā)者工具設(shè)計一款簡單的小程序，用于反饋給用戶實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的主要功能界面如圖3所示。

電源管理：考慮系統(tǒng)的電源需求，設(shè)計了合適的電源方案，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長時間運行。

3" 不同階段的應(yīng)用效果

3.1" 播種階段

在播種初期，該系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用?？梢酝ㄟ^該系統(tǒng)適量地調(diào)配種植地的各種生長環(huán)境。精準(zhǔn)控制溫濕度，確保溫度適宜、濕度適中；調(diào)節(jié)二氧化碳濃度，為種子萌發(fā)提供良好的氣體環(huán)境；把控土壤濕度，為種子創(chuàng)造舒適的生長條件。

3.2" 生長階段

通過所提供的實時數(shù)據(jù)，用戶能夠清晰地了解棉花所處的生長環(huán)境。借助微信小程序的貼心提示，用戶可以根據(jù)實際情況自主選擇調(diào)配棉花的生長環(huán)境。例如當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度過高時，可進行適當(dāng)降溫處理；土壤濕度不足時，及時進行灌溉。通過在實際棉花種植環(huán)境中應(yīng)用該系統(tǒng)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測棉花的生長狀況，一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)不利于棉花生長，便能迅速做出反應(yīng)，及時調(diào)整。如此一來，便可顯著提高棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。

4" 不足和展望

本文在設(shè)計中還存在一些不足之處，例如在監(jiān)測傳感器節(jié)點數(shù)量較多時，因其功耗較大，導(dǎo)致運行時間較短；為了實現(xiàn)遠程控制，還需要對各個節(jié)點進行聯(lián)網(wǎng)。為了解決這些問題，后續(xù)還需要在監(jiān)測傳感器節(jié)點數(shù)量較少的情況下進行研究和實驗，從而不斷完善系統(tǒng)功能。所以未來的研究方向主要包括優(yōu)化傳感器節(jié)點的功耗設(shè)計、提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴展系統(tǒng)的功能模塊。

5" 結(jié)束語

本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的棉花生長環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器對棉花生長環(huán)境參數(shù)進行實時采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺進行處理，從而為農(nóng)民提供實時、準(zhǔn)確的信息服務(wù)方案，便于對不同的棉花生長階段各環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使棉花生長環(huán)境處于最佳狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程用戶終端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)可以大大降低農(nóng)民的勞動強度、提高工作效率，使農(nóng)民在棉花種植過程中少操心、少費力、增加收益。

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基金項目：塔里木大學(xué)校長基金（TDZKSS202303）

*通信作者：單闖（1993-），男，碩士，講師。研究方向為智能檢測與控制。