温室内部空气环境数据采集终端的设计与研究

◆关丽华



温室内部空气环境数据采集终端的设计与研究

◆关丽华

(山西经贸职业学院山西 030000)

随着现代电子信息技术的不断发展与完善，网络技术、微型传感器技术、物联网技术在农业生产中发挥出越来越重要的作用。通过对温室内部的空气环境数据进行实时监测与在线存储，大幅减少了人工作业，并有效提升了温室大棚空气环境数据采集的准确度与实时性。在提高农业生产资源利用率、促进现代农业可持续发展等方面都有着非常重要的意义。

传感器技术；物联网技术；温室管理；空气检测

0 引言

在温室大棚的运行过程中，空气的温湿度、二氧化碳与氧气的含量变化是几个非常重要的参数，将上述条件通过技术手段将其人为控制在最优范围内，对农业大棚的作物产量与经济效益有着重要影响，而准确的实时数据采集功能则是设计合理有效的环境控制方案的必要前提条件。

1 系统的整体架构

数据采集终端需要实现对农业大棚内部的4项空气环境参数（温度、湿度、二氧化碳浓度及氧气浓度）的采集以及数据的格式转换与上传功能，数据采集功能通过在Raspberry Pi 3B+平台上搭载微型传感器设备来实现，这些传感器使用杜邦线与Raspberry Pi 3B+平台所提供的GPIO接口（40个接口中含多个电源输出即数据I/O接口）连接并进行信号传输[1]。而数据的格式转换与远程上传功能则由在Raspberry Pi 3B+平台运行的Python程序实现。系统硬件架构如图1所示。

1.1 二氧化碳数据的采集功能

系统为实现二氧化碳数据的采集功能所选用的气体传感器模块为BYC11-CO2，在本项目中，主要使用BYC11-CO2传感器的3个引脚：Pin1（信号输出），Pin4（接地），Pin5（供电输入）。BYC11-CO2与RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的线路连接方式如表1所示。

图1 系统硬件架构

表1 BYC11-CO2线路连接方式

BYC11-CO2发送的是一组高低电平脉冲信号，检测24位数据（16位数据与8位校验位）以高电平信号的持续时间进行描述，以低电平信号为结束标记。信号的处理基于对传感器输出电平变化的检测来完成，其中第一个循环用于等待高电平信号的接收（即等待信号开始），第二个循环用于等待低电平信号的接收（即等待信号结束）。在完成24位信号的接收过程后，首先将数组中记录下来的时间长度转换为二进制数据，转换条件为数组单元（下标从0-15）中的值大于等于100（毫秒）时，更新该单元的值为1，否则为0，然后再将数组中的二进制数据转换为10进制数据存储至内存中等待上传。

1.2 温度数据的采集功能

系统中为实现温度数据采集功能所选用的传感器模块为DHT11，在本项目中，主要使用DHT11传感器的3个引脚：Pin1（供电输入），Pin2（接地），Pin3（信号输出）。DHT11与RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的线路连接方式如表2所示。

表2 DHT11线路连接方式

DHT11发送的是一组由高低电平脉冲信号描述的24位二进制数据，其中高8位为校验值，第16位为温度数据且最高位为正负值标识。温度信号的处理通过对高低电平变化的检测来完成，首先将高电平信号时长以1或0的形式存储至数组中，然后再将二进制数据转换为10进制数据并根据第16位的数值设置其正负。

1.3 湿度数据的采集功能

本系统选用的湿度采集传感器模块为DHT12，该设备属于感湿电阻式湿度传感器，具有很高的可靠性与稳定性。在本项目中，主要使用DHT12传感器的3个引脚：Pin1（供电输入），Pin2（信号输出），Pin3（接地）。DHT12与RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的线路连接方式如表3所示。

表3 DHT12线路连接方式

DHT12发送的是一组由高低电平脉冲信号描述的24位二进制数据，其中高8位为校验值，第16位为湿度数据，RasPberry Pi 3B+对信号的处理过程与上文中的二氧化碳数据处理过程相同。

1.4 氧气浓度数据的采集功能

系统为实现氧气浓度数据采集功能所选用的传感器模块为4OCV，该设备属于固态电解质传感器。在本项目中，主要使用4OCV传感器的3个引脚：Pin2（供电输入），Pin3（接地），Pin8（信号输出）。4OCV输出的信号为80位二进制数据，其中第49至64位为检测值，第41至48位为检测气体当量，温度信号的处理通过对高低电平变化的检测来完成，首先需要将检测值与气体当量分别进行电平分析获取二进制数据，然后还要通过两次进制转换分别将数值第49至64位以及第41至48位的监测数值与气体当量数据转换为10进制数据，并对它们进行除法运算来获得氧气浓度值结果。

1.5 数据的上传功能

Python语言中的数据库访问接口为Python DB-API，该接口提供了一系列数据库模块及访问对象，为开发人员从不同种类的数据库的存取信息提供了良好的支持[2]。对于MySQL数据库，Python DB-API中与之对应的是MySQLdb模块，该模块基于MySQL C API建立，在使用之前需要在RasPberry Pi3B+平台的Linux系统中下载并安装此模块。

其中数据库的连接建立需要使用MySQLdb对象的connect方法，而游标的建立则使用数据库连接对象的cursor方法，最后通过游标对象的execute方法来执行SQL命令字符串。此外，在服务器端接收数据时，我们将服务器MySQL数据库的网络端口号由默认的3306修改设置为23961，以尽量避免服务器受到网络攻击。

2 结语

本文基于现代农业管理企业在当前温室大棚管理工作中的现实需求与未来发展规划，设计了一套能够自动实现对温室内部空气环境进行实时监测的硬件设备组建方案，为提农业生产管理工作效率、提高农作物产量、降低运营成本等方面提供准确的数据支持。

[1]赵建军.基于RasPberry Pi的传感器开发[J].山西电子技术，2017，6(1)：122-124.

[2]李一凡.树莓派平台在物联网系统开发中的应用研究[J].闽江学院学报，2018，1(2)：57-59.