基于物联网的智能蔬菜大棚远程控制系统研究

    韦明峥 凌加平 周俊男 李克俭 田敬北

    

    

    

    摘 要：蔬菜大棚可以广泛用于特定作物的耕作。但是传统的蔬菜大棚存在以下问题：大棚室内数据需人工查看，人工补充，自动化程度低;一套蔬菜大棚智能控制系统价格昂贵，成本高，不利于大面积使用;对多个大棚监控不足，不方便集中管理等等。为解决上述问题，研究了一种基于物联网的蔬菜大棚远程控制系统，对温湿度、光强等数据实时采集的同时，将数据通过ZigBee无线传输技术发送到机智云平台，用户在平台上可用PC端或安卓手机APP设置自动监控或手动监控，对大棚室内环境进行补偿。经实验证明，本系统的设计实现了远程对蔬菜大棚室内环境数据的采集、处理、补偿、显示，可满足农业上对蔬菜大棚的自动化监控要求，并具有性价比高、方便集中式监控的特点。

    关键词：物联网;Zig Bee;ARM;传感器;蔬菜大棚

    随着社会的变迁，我国农业发展已从原有的单纯追求质量变为追求优产、优质、高效。智能化大棚的出现使人们开始重视农业科技。由于种植环境中的温湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子对作物生长有很大的影响，通过蔬菜大棚为作物创造一个可控的种植环境虽然可以提高作物产量，但如果没有大棚环境远程监控系统的应用，蔬菜大棚的管理成本和设施成本都相当高，而且人工管理始终不如智能管理方便和精准。

    综上分析，由于我国农村的蔬菜大棚还是处于欠发展状态，我国有蔬菜大棚历史的农村，迫切需要一套远程蔬菜大棚控制系统，为此本项目研究了一套基于物联网的蔬菜大棚远程控制系统，对蔬菜大棚的环境做一个有效的管理以达到更高的经济效益。

    1 总体方案设计

    本系统致力于我国农村蔬菜大棚研究，通过对国内国外资料的搜集与研究，针对蔬菜大棚发展的实际情况，确定系统的组成模块，然后对电路控制系统进行设计与制作。整个系统示意图如图1所示。

    本设计采用的是扇形设计，这样方便卷帘收放，可以达到很好的散热与补光效果，由ARM控制整个系统的运作，通过物联网实现数据发送与接收，蔬菜大棚室内数据经过云端服务器发送到用户终端（手机APP），用户实时监控蔬菜大棚室内环境，维持蔬菜大棚室内生长所需要的环境。

    系统各模块功能如下：

    （1）使用温度传感器，湿度传感器，CO2浓度传感器，光强传感器，pH传感器等传感器搜集数据，向控制中心传达信息，以保证大棚室内环境质量。

    （2）使用TFT-LCD液晶屏显示环境数据，使用太阳能与蓄电池一起进行系统供电，进行实时数据显示与系统供能。

    （3）使用ARM作为控制核心，对采集的数据进行处理，使执行系统的卷帘机，风机，灌溉系统，二氧化碳补偿器等能进行自动起、停或定时开启，进行各项数据的补充与缩减。

    （4）借助机智云服务平台实现产品手机APP的开发及数据点的接入与设置。用户通过安卓手机APP远程发送命令使系统进行工作，实现远程人机交互。

    2 系统硬件设计

    本系统主要的硬件电路包括STM32F-103ZET6核心主控电路、ESP8266Wi-Fi模块连接电路、CC2530数据采集电路、TFT-LCD显示电路、继电器控制电路。传感器模块包括GY-39温湿度光强度传感器、CCS811二氧化碳传感器、赛通ST-TR-PH土壤酸碱度传感器等，来检测环境参数。执行器件包括风机、卷帘、灌溉水泵、补光灯等。图2为总体硬件设计图。

    3 系统软件设计

    除了硬件设计，本项目还需要进行软件设计，才能实现蔬菜大棚远程控制与联网等功能。本項目是通过ZigBee网络来进行一个整体的网络连接，通过集中循环采集传感器数据，然后实时远程发送数据给主控进行数据处理，经过处理后的数据经过与蔬菜生长需求环境数据相比较，如果数据相差大就自动进行执行装置的补偿，也可进行人工调整，不断检测不断的补偿，使大棚内环境数据达到一个稳态平衡。系统软件设计的主要结构框图如图3。

    本系统采集的传感器数据汇集到CC2530，再由CC2530发送到STM32F-103ZET6单片机，把采集到的数据在LCD液晶屏上现场显示，单片机再与ESP8266Wi-Fi模块进行通讯，ESP8266Wi-Fi与路由器网络连接，进而连接互联网，用户就可以实时通过互联网访问机智云平台进行监控，进而实现远程控制。主控程序控制流程图如图4。

    4 验证

    本系统以适宜大白菜生长环境为例，控制蔬菜大棚环境参数，生长温度范围是15±10°C，光照需求为中等强度，光合补偿点为1500Lx（25umol/m2·s），光饱和点为4000Lx（950umol/m2·s）。土壤pH需为中性或弱酸性（pH值：65-7.0），含水量保持在16%～18%，空气中CO2浓度在1000uL/L左右。通过对整个系统的搭建，进行执行装置的动态调控，蔬菜大棚室内环境能稳定在适合大白菜生长的环境范围内。

    在机智云平台经过注册登录、选择技术方案以及创建产品之后，平台会对应的生成手机APP。经过手机APP上的环境参数调控，蔬菜大棚内的执行装置会进行相应的参数补偿，维持蔬菜大棚内的适合当前农作物的生长环境。手机APP界面图如图5所示。

    5 结语

    经试验证明，本系统设计合理，功能性较强，系统工作整体稳定，较好地达到了设计目标。手机APP设置界面友好，操作简单，能较好地控制蔬菜大棚内的温湿度、光强、二氧化碳等环境参数。同时本系统还可以外接其他设备，未来可以在此基础上进行完善，如自动化施肥、除草等，通过更快更密集的无线网络进行补充控制、采用更为复杂的手机终端管理等等。

    参考文献：

    [1]高蒙.基于机智云平台的远程监控系统开发关键技术研究[D].西安理工大学，2019.

    [2]张俪亭，杨习伟.基于单片机的蔬菜大棚温湿度自动控制系统设计[J].无线互联科技，2018，15（24）：41-42.

    [3]汪晓乐.基于农业物联网的智能温室系统设计[D].武汉轻工大学，2018.

    [4]李玮瑶，王建玺，王巍.基于ZigBee的蔬菜大棚环境监控系统设计[J].现代电子技术，2015，38（12）：51-54.

    [5]杨铨.蔬菜大棚温度远程监控系统的设计[J].企业科技与发展，2011（21）：90-92.

    作者简介：韦明峥（1996—），男，壮族，广西来宾人，本科，研究方向：自动控制;凌加平（1996—），男，壮族，广西隆安人，本科，研究方向：测控技术与仪器;周俊男（1996—），男，壮族，广西恭城人，本科，研究方向：轨道交通信号与控制;李克俭（1962—），女，汉族，湖北武汉人，本科，教授，研究方向：过程控制及自动化装置;田敬北（1975—），男，壮族，广西上林人，硕士，高级实验师，研究方向：信号与信息处理及电子技术方面。