基于云平台的水稻育苗智能温室系统的设计

黄 鹏，杜 旭，杜佳伟，龙 颖，何 斌

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

近年来，国家强调应用现代科技手段“大力发展“互联网+农业”，多渠道增加农民收入促进农村一二三产业融合发展战略。应用科技手段发展农业是提升我国农业现代化的主要方式，物联网技术、3G技术等现代通信技术是实现农业现代化技术支点，利用物联网等现代通信技术实现对农业生产经营进行智能化管理，是提高农业的精细化生产，智能化决策的重要节点。通过信息技术对地块的土壤、肥力、温湿度等环境参数进行采集并分析，然后据此提供与种植、施肥相关的解决方案，大大提升了农业生产效率。利用物联网、云平台、单片机、HTLM5等技术将采集的数据显示到智能手机等移动终端上。提高了农业生产对自然环境风险的应对能力，使弱势的传统农业成为具有高效率的现代农业[1]。

本设计采用国内流行的阿里云平台，基于STC单片机最小系统，SIM800无线通信模块，485协议有线通信以及农业数据采集传感器，实现用户通过网页实时查询或线下大屏幕实时显示农业现场传感器采集的信息。

1 整体系统设计

根据基于物联网智能温室大棚系统设计的总体目标，本系统整体架构以物联网DCM三层架构的思想构建集成[2]。主要由感知层、网络层、应用层三部分组成。系统框图如图1所示。

该系统采用分层结构通过终端软件的设计实现对数据的采集和监测；感知层主要是通过传感器来采集环境参数；网络层主要是将采集到的信息通过公用网络传送给云服务器，云服务器进行分析并存储；应用层主要是搭建一款上位机软件，可以实现数据的实时可视化显示，历史数据查询等功能。

图1 整体系统框图

2 系统的硬件设计

系统的硬件部分主要由单片机数据采集电路、LED大屏幕驱动板、温湿度和光照度等各种环境传感器组成。

系统采用STC15W4K58S4单片机为核心控制器,它有着运行速度快、运行稳定和最多能支持4路串口通信等诸多优点，且相对于STM32价格更加便宜[3]。如图2所示，单片机通过串口3与MAX232建立通信连接，用来给LED屏幕驱动板发送信号。通过串口4与RS485建立通信连接，用来获取传感器传回的棚内参数。硬件系统的通讯部分采用了SIM800通信模块，电路图如图3所示。此模块可以将采集到的数据通过移动网络发送给云服务器。

3 系统软件设计

软件系统主要由上位机软件和下位机软件两大部分组成。

图2 单片机及通讯电路电路图

图3 SIM800模块电路图

3.1 上位机软件

上位机软件是应用层的核心部分，构建思路如下：

为了实现移动终端软件设计，完成数据的接收、处理和显示，上位机采用了B/S 架构(Browser/Server，浏览器/服务器模式)。只要能上网，即可随时随地访问系统。网站内部使用三层架构模式：界面层使用HTML5实现快速加载，使用Bootstrapt实现多平台兼容，提高用户的使用体验度。业务逻辑层根据界面层异步提交的请求数据进行登陆、注册、数据分析、设备监控和管理用户等逻辑处理。数据访问层通过与云平台交互实现历史纪录查询、增加用户和删除数据等操作，然后把获取到的数据传回业务逻辑层分析进而传给界面层展示。

图4 上位机软件实时数据显示界面

3.2 下位机软件

下位机软件利用keil 5编程环境给单片机进行程序编写，以便于控制整个网关系统协同工作。程序首先对定时器、串口通信、SIM800、大屏幕和传感器进行初始化。然后进入死循环程序按一定时间对数据进行采集、发送和实时显示在LED大屏幕上，此时间可以根据用户需求在30 s-5 min区间内可调。如发现异常数据将会发出警报信息。下位机软件程序框图如图5所示。

图5 下位机软件流程图

4 系统特色

4.1 云平台

Web开发的过程中，传统的方法都是自建服务器，但是对于中小型企业来说，自建服务器成本高、维护困难 、且稳定性不佳、可拓展性不高。相比于此，云平台的发明很好地克服了上述问题。

云平台是本套监控系统的核心系统，上位机上的所有数据来源和功能的实现都依靠于此。云平台的软件构架以数据库为基础，用云服务器上的接发程序与硬件系统通过TCP/IP协议建立通信连接,接收传感器采集到的数据,并存入数据库[4]。云服务器也提供接口与上位机建立网络连接，上位机软件可以时刻调取相关数据。

4.2 GPRS通信

实际应用中，育苗大棚大多建设在偏远山村，其光纤及4G信号覆盖率仍然不高。所以此套系统采用了GPRS通信技术进行数据传输。

GPRS是通用分组无线服务技术的简称，属于第二代移动通信中的数据传输技术，传输速率范围为56 Kbps～114 Kbps。可完全满足系统所需传输速度的要求。并且支持TCP/IP协议。可以与分组数据网(internet等)直接互通。GPRS通过串口与单片机建立数据连接。单片机通过AT指令来控制GPRS进行数据的发送。

5 现场实施

经过以上设计之后，此套设备的硬件部分在室内进行了拼接和安装，安装画面如图6所示。

图6 网关及LED驱动的安装

以佳木斯市江滨农场项目为例，进行了相关的调试试验。经调试，网关及LED驱动电路工作正常，整套系统工作正常。并可以将相关参数显示在LED屏幕上。如图7所示。

图7 LED屏幕显示

6 结语

在此套智能水稻育苗温室系统中，通过运用检测模块及环境设备，可以对温室内的温度、光强和土壤湿度等环境参数进行采集，并可以通过线上网页和线下LED大屏幕两种方式共同将数据显示出来。本套系统还编写了参数异常预警功能，可以给农户一个直观的参考，从而提高秧苗的存活率和质量。经测试表明，本系统运行稳定可靠，达到了预期的设计效果。