基于物联网的温室大棚多点光照度采集与管理系统

李辉+周忠凯+陶建平

摘要：针对我国高效、精细农业的快速发展，为满足设施农业的生产需求，设计1种可用于温室大棚的多点光照度采集系统。该系统以基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6单片机为核心，以BH1750为光照度采集单元，用RS-485模块进行数据传输，使用VB.NET进行上位机的开发，以SQL Server为后台数据库，用ASP.NET进行网页开发，对采集系统进行全封闭处理，以适应不同的监测环境，实现对不同点光照度的采集、无线传输、自动存储以及远程监测，用户可以在任何有网络覆盖的地方通过浏览器查看并获取数据。经试验测试，该系统测量误差在±6%以内，且测量值与标准值间差异不显著，满足使用要求。该系统为在不同光照条件下的合理选种与密植提供了设施基础，并在一定程度上推动了设施农业和精准农业的发展。

关键词：物联网；温室大棚；多点；光照度；无线通信；精准农业

中图分类号： S126 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0388-04

随着我国精细农业的不断发展[1-7]，要求农业生产能够高效产出，因此对设施农业[8-11]的要求不断提高；同时，随着科技水平的提高，农业设施的科技含量也得到很大提升。在农业生产中，光照是重要的环境因素之一[12-15]，应该因地制宜、充分利用光照以提高产出，根据光照情况进行合理选种与密植是实现精细与高效农业的重要手段，为此需要对光照进行实时监测，了解光照情况变化。由于光照监测是长期、高耗时的工作，因此本研究设计适合不同监测环境的多点光照度采集系统，该系统可对大棚中不同点的光照情况进行采集，能够对采集的信息进行无线传输、自动存储，并可对数据进行远程管理。

1 系统组成与工作原理

1.1 系统组成

系统由采集系统、无线传输模块、上位机、服务器、远程监测与管理系统等组成[16]，系统结构如图1所示。

1.2 工作原理

在进行光照度采集前需要对上位机进行相关参数的设置，主要设置进行光照度采集的时间间隔以及正确输入上位机与采集系统预先设置的校对码，然后通過无线传输装置将校对码发送到下位机，下位机将校对码与预设校对码进行比对，如果输入的校对码错误，系统将提示，如果输入校对码正确，下位机采集系统将采集到的数据发送到上位机，上位机将数据实时显示在界面上并存储到该PC机的数据库中，然后通过网络将数据发送到服务器的数据库中，打开网络页面并正确输入用户名、密码将可以实时监测数据和查询、下载历史数据。

2 采集系统

2.1 单片机控制系统程序设计

下位机采集系统[17-20]采用32位STM32F103C8T6 MCU为处理器，为节省系统资源，通过上位机设置信息采集间隔，上位机定时向下位机发送校对码，下位机比对校对码，正确则进行数据采集并将采集的数据通过串口发送到上位机，循环作业。系统工作流程如图2所示。

2.2 光照度采集单元

光照度采集单元由滤光器、光电元件以及接口电路等组成（图3）。光照度采集单元滤光器采用菲涅耳透镜进行光照余弦补偿，将一定角度内的光照集中到光电元件上，提高接收灵敏度，光照度采集检测单元工作流程如图4所示，该系统采用的菲涅尔透镜（图5）是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜。

光照度采集单元中光电元件为BH1750传感器[21]，BH1750环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出数字信号，不需要再进行复杂的计算。该传感器使用方便，环境适应性强。

3 信息采集管理系统设计

信息采集管理系统主要完成信息的实时显示、存储、历史相关数据的查询以及向下位机发送和接收数据、利用网络将采集到的数据发送到服务器等，采集到的数据将保存到上位机的电脑上，其工作界面见图6。同时，发送数据到服务器的数据库中，实现数据的自动备份，保证数据的安全，提高了系统工作的可靠性。

3.1 信息管理系统软件设计

信息管理系统软件采用VB.NET进行程序开发，实现了数据的存储、实时显示、查询以及数据的发送与接收等功能；在数据库的数据表中存储了数据采集时间与16个采集点数据的17个表项，并实现对查询数据的导出功能，为数据利用和处理提供了方便。通过服务器IP、数据库名称、用户名和密码对服务器进行连接，实现数据的远程保存与备份：conn.ConnectionString=“Server=199.182.x.x；DataBase=RecordDB；User=JAAS；Pwd=ABC；”。

3.2 计算机与单片机通讯

计算机通过串口与无线发送装置（图7）相连，通讯协议为采用异步方式传送数据，数据传输速率为9 600 b/s，无校验位，8位数据位，1位结束位，无线发送装置采用RFD5800多通道微功率嵌入式无线数传模块，传输距离为1 000 m；由于现有的计算机基本不配备串口功能，为此使用CP2102芯片实现USB与串口的转换（图8），采用Max3485实现TTL电平与RS-485电平的转换（图9）。电平转换代码：

4 远程监测与数据管理系统

如图10所示，远程监测与数据管理系统采用ASP.NET进行开发，通过网络对服务器数据库中的数据进行操作，实现对采集数据的远程实时监测、历史数据的管理和下载，避免了数据管理和处理的不便；根据系统分配的不同角色，不同的用户名具有不同的操作权限，有效避免了对系统的误操作，保证了系统的安全。

5 安装与测试

该系统自2013年12月13日至今在江苏省淮安市淮阴区光伏电站试用，自安装调试完成后无故障出现，系统工作稳定、可靠；该系统以泰仕电子工业股份有限公司的手持式照度计（型号TES-1332A，量程范围0.1～200 000.0 lx，分辨率0.1 lx）为测量参考（即标准值）。由表1可知：该系统与标准值相比测量误差为±6%，满足使用要求。对标准值与测量值进行方差分析（显著性水平α=0.05），由表2可知：F值=0.005 4980.05，测量值与标准值间差异不显著。