基于物联网技术的温室智能监控系统

马鑫 卫雅娜

摘 要：根据目前温室监测与管理的需求，针对控制因子多、温室环境测控和系统运行环境复杂、持续稳定运行等特点，提出了一种基于物联网技术的温室智能监控系统。该系统基于物联网技术框架，分为温度系统、光照感知系统、显示及控制系统，这四个部分相互依赖，共同完成智能监控功能，采用环境传感器获得温室内部环境信息。试验表明该温室智能监控系统具有数据传输稳定、监测可靠的特性，可满足现代温室智能监控的需要。

关键词：物联网；智能监控；传感器；数据传输

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）08-0-03

0 引 言

21世紀的农业发展离不开现代智慧物联网，随着国民人均收入的飞速增长，农业应用技术的相关研究受到极大的重视，尤其是温室智慧大棚等智能产业，已成为高效农业的重要组成部分之一。农业生产中最重要的一环即对农作物生产环境的重要数据进行有效地监测和控制，如：大棚内空气温度、光照强度、CO2含量、土壤含水量等。在农作物培育过程中，大棚内环境与农作物的生长、发育、能量物质交换等息息相关，棚内的环境监控是实现温室生产管理智能化、科学化的基本保证，通过对监测数据进行分析并结合农作物的生长发育规律，控制其生长环境，使农作物达到高产、高效、优质的种植目的[1]。以智能温室大棚为代表的智慧产业在现代化农业生产中发挥着巨大作用。通过监测控制温室大棚内的温湿度、CO2含量及光照强度等参数，直接关系到农作物的生长品质。

目前国外的温室大棚技术已相对成熟，并形成了一定的标准，但其价格极其昂贵，并缺少同我国气候特点相适应的监控软件，尚不适于我国农业发展。而我国现今多数大棚中温湿度、CO2含量、光照强度等数据的监测与控制都采用人工管理的方式，此种方式监测精度低、实时性低、人力劳动强度大且存在监测不及时或不频繁等弊端，极难达到棚内作物生长所需要的的最适环境，不仅增加了成本，还浪费了人力资源，且不易达到实现作物产能最大化的经济目的[2]。因此，为了实现智慧农业生产的高效化、科学化并提高对农作物研究的精准性，推动我国智慧农业的发展，必须大力发展农业设施与其相应的农业科技工程，进行科学合理地调控大棚内温度、湿度、光照强度以及CO2含量，使温室大棚内形成有利于农作物生长所需的最适环境，是农作物缩短生长期，产出优质、高产、高效益的重要环节之一。

目前，随着国内温室大棚的迅速增多，人们对大棚性能的要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的智能化程度要求也逐渐提升。同时由于单片机及各种电子元件性价比的飞速提高，使得人们对这种要求变得逐渐可行。当前我国温室大棚大多处在中、小规模，要在大棚中引入智能化监控系统，改变人工管理为智能化管理的方式，则要考虑整个系统的造价。本文介绍了智能温室监控系统的硬件结构和软件设计方法。本系统以单片机为主要控制器，以温湿度传感器实现实时温湿度的采集，能够实时显示大棚内温度，通过继电器控制电风扇对流通风，实现棚内降温。本智能温室监控系统采用了直观的数字显示，可在LED屏上同时显示实时的温度和光照强度数值，根据大棚内所种植农作物的最适环境进行自动判断，为该作物进行光源补偿或降温等操作，系统设计如图1所示。该智能温室监控系统具有操作简洁、读取数据方便、显示直观、功能多样、电路设计简洁、成本低廉等诸多优点，拥有非常广阔的市场前景。

图1 温室智能监控系统总体设计

1 温室智能监控系统总体设计

当前国内常见的温室大棚都是在一个较封闭的环境中，只有处于合适的生长条件才能让农作物达到最佳状态。农作物生长所需要的条件包括：光照，O2，CO2，湿度等，通常这些条件在人为的操作下无法较好把控，才使得作物达不到产量最佳[3]。对作物的智能监控功能，是通过合理地使用现有资源，来创造和满足作物生长所需要的最佳生长环境条件，监控功能如图2所示。

图2 智能监控功能

整个系统分为温湿度系统、光照感知系统、显示屏及控制系统。这四个部分相互依赖，共同完成智能监控功能，人们可通过控制系统来设定作物所需的光照值与温度值。设计一个温室智能监控系统，首先要了解作物所需的生长条件及环境参数，之后根据环境参数来制定适宜的生存环境。

2 硬件设计

2.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统（Embedded System）作为物联网的重要技术之一，其应用有助于全面理解物联网世界的本质。嵌入式系统是将日益流行的操作系统进行裁剪修改，使其便于适应特定应用的一种低功耗、小尺寸、低成本的特殊系统。按照美国电气和电子工程师协会对嵌入式（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的说明：Devices used to control，monitor or assist the operation of equipment，machinery or plants。翻译成中文为用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。当前常用的嵌入式系统大多数是具有集成存储器或外设接口的处理器，用于特定的应用而定制的类型。嵌入式系统用于特定的任务，设计者可对其优化裁剪，以减少产品的尺寸和成本，并提高可靠性和性能[4]。物联网技术使其作为完整设备的一部分被嵌入，通过其对传感器的连接、通信以及其自身拥有智能化处理能力，能够达到对特定目标进行智能化控制的目的，这一主要功能是人们开发嵌入式系统所期望并逐渐实现的首要任务。

2.2 数据接驳器

数据接驳器基本实现了所有工业传感器的数据接入功能，其内置低功耗高速处理核心，能够实现对目标的数据采集，通道校准、存储，设备诊断，设备休眠等诸多功能，任何传感器输出的信号均可通过数据接驳器转换成特定系统所需要的标准输出格式，并可简化用户后端系统接入操作[5]。

2.3 智能数字传感器

智能数字传感器是物联网前端感知设备，针对不同协议传感设备的适配驳接器，由数据接驳器连接传感器后形成。通过对传感器的数字协议变送技术的突破，解决了前端检测设备的智能化、网络化、微信号放大等棘手问题，行业应用核心难点，拥有体积小、低电压、低功耗、数字信号统一输出等特点；首次将智能化总线技术引入物联网前端检测技术中，采用“硬件设计不变，软件可动态调整”的方式来兼容各式各样的传统传感器，使传统设备与物联网设备相结合，从而达到物联网技术的快速应用。

2.3.1 温度传感器

本产品采用温度传感器来收集温度的变化，并进行数据备份和更新。在自动模式时，若超出预先设置的温度值时，则会自行发送命令开启风扇，进行降温，直到恢复到预定温度范围，风扇停止运行。

2.3.2 光照传感器

光照强度决定着农作物生长的优劣。在本产品中，光照传感器和一排LED补光灯“相辅相成”。自动模式开启后，当光照不足时，系统会自动发送命令开启LED灯，进行补光。

3 感知层设计

STM32处理器与传感器和执行器的I/O进行通信，同时通过不断地扫描确定传感器工作状态并通过使用串口网络实现如下动作：处理器与执行器、传感器之间的通信，传感器和上位机的通信。执行器首先通过应用层调用驱动程序，再绘网络层串口驱动。传感器可通过串口网络接收来自“蜂鸟”（Hummingbird）的命令，实现数据通信和动作实现。

4 应用层设计

由于本温室智能监控系统同时使用了两部分硬件设备，以Cortex-A8为核心的处理器和STM32系列处理器，因此应用层需要两套程序来实现相关功能，一个是以Android客户端应用程序作为上位机，另一个是STM32固件，用来做核心动作控制。

5 Android系统软件

对于Android客户端程序的界面设计，温室智能监控系统在Android客户端上主要由两大部分构成，信息数据检测界面和环境参数调整界面。信息数据监控界面，能够实时地反馈大棚内传感器监测到的数据；环境参数调整界面，主要让用户输入植物生长所需最适环境的相关参数（目前暂时未完成对所种植的作物品种的自动识别，需要根据农作物的特性来人工设置环境参数）[6]。其次为执行器软件驱动程序的开发，一般市场上常见的传感器的驱动程序都会提供其相应的开源代码，可直接使用，但由于使用C语言编写驱动程序，用Java语言开发Android应用程序，因此需要通过修改硬件抽象层以重新定制调用接口的标准和更改NDK实现层的相关代码的方式方便上层Java程序协助S5PV210控制处理器，这样才可有效地对硬件设备地智能控制。

6 STM32固件

STM32固件主要负责采集大棚内的实时数据，如：温度、土壤湿度、光照强度等，同时处理由经过串口发送的控制命令并返回响应动作。综上，软件系统的三层协议结构如图3所示[7]。

图3 软件系统协议层图示

7 数据采集

数据信息采集是物联网技术的组成部分之一，各种传感器所检测到的环境数据信息转换为电信号，再通过接口转换成计算机能够处理的信号后，系统才可对其进行下一步智能化处理和精确有效地管理、调控等。本温室智能监控系统主要采用了温湿度传感器和光照传感器，且均是电阻式传感器，灵敏度较高且价格低廉[8]。

本系统的温度传感器利用半导体元件制成，其具有灵敏度高、电阻温度系数大、反应速度快、热惯性小、结构简单、体积小、寿命长、使用便捷等优点。本实验选择该传感器测量大棚内的温度，此半导体元件为正温度系数类型，电阻值会随着温度升高而增大，再根据电阻阻值变化的情况进行计算，最终将数据上传，并提供给用户。

本系统的湿度传感器利用电磁脉冲原理，根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的介电常数这一特性工作。该传感器通过介电常数的变化进行计算从而得出土壤中水分的含量，该传感器具有简便安全、灵敏度高、检测速度快、寿命长、可进行单个替换和集中控制等优点，因此本次实验选择它来测量湿度，得到准确数值[9]。

本系统的光照传感器采用光敏式传感器。利用光电效应的光电敏感元件，通过感应光线的明暗变化从而使其阻值发生变化，微弱的电信号经过放大处理将数据传送给处理器，但通常情况下都是成相反关系即随着光照强度的增强使其光敏半导体的电阻值变小[10]。根据这一基本原理完成了光照传感器与控制器的通信，从而直观地将数据显示给用户。

本系统的数据控制提供媒体转发服务、应用服务和数据库服务。考虑到本系统所使用温室的面积以及部署所需要的成本，只需一台服务器就可满足用户的需求。因此只需将媒体转发服务、应用服务和数据库服务安装到温室监控设备上即可，其所需的硬件配置见表1所列。

8 测试与总结

在试验大棚中搭建好智能控制系统，通过在温室大棚的实际运行状态对系统进行了性能测试与功能测试。温室智能监控系统可在大棚中正常运行，且系统设计的功能能够准确实现，试验环境如图4所示。

现场测试实时数据见表2所列，测试时间为6∶00—

18∶00，在系统中将最佳空气温度设置为23℃，湿度设定为66%RH。每小时记录一次。由表2生成的温湿度折线图如图4

和图5所示。

从图4和图5中可以明显地看出智能温室大棚中气温与湿度的变化状态，温度与湿度能够稳定保持在作物最佳生长范围之内。因此，温室智能监控系统能够实现对环境参数的调控，能够达到设计要求。

9 结 语

农作物监测方面，人们的了解并不是很深刻，市场上出现的各种监测和检测设备只能实时反馈，单一地为用户显示自己的产品生长周期，无法做到数据备份和对作物生长规律的掌握。通过对市场调研的发现，人们对食品安全愈发重视，对作物出产地及生长状况也越来越重视。而这款温控系统恰能提供给人们绿色安全的使用条件，具有强大的发展潜力，能够为智慧农业作出贡献。

参考文献

[1]叶全宝，李华，霍中洋，等. 我国设施农业的发展战略 [J].农机化研究，2004（5）：36-38.

[2]毕玉革，麻硕士. 我国现代温室环境硬件控制系统的应用现状及发展趋势研究[J].2008 农业生物环境与能源工程国际论坛文集，2008.

[3]袁玲珑. 温室环境因子监控系统的研究[D]. 武汉：华中农业大学，2005.

[4]杨学坤，蒋晓，诸刚.温室环境控制技术的研究现状与发展 [J]. 中国农机化学报，2013，34（4）：16-18.

[5]周曼丽.植物工厂环境控制系统的设计[D]. 镇江：江苏科技大学，2012.

[6]王振寒.蔬菜温室大棚智能控制系统的设计[J].消费电子，2013（16）：100.

[7]张淑珍.日光温室对蔬菜生长的影响要素分析[J].科技传播，2011（6）：69.

[8]曹福刚.远程监控系统在农业温室大棚中的应用[J].遼宁科技大学学报，2007：1-12.

[9]刘方.基于虚拟仪器技术的农业温室控制系统的研究[D]. 兰州：甘肃农业大学，2008.

[10]杨国成.膜下滴灌节水技术的应用和意义[J]. 农业科技与信息，2009（21）：33-34.