基于物联网的温室环境监控系统

孙 康，王静秋，冷 晟，叶文华

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

农业作为我国的第一产业，是支撑国民经济建设与发展的基础性产业。我国正处于由传统农业向现代化农业转变的过渡时期［1］。随着物联网技术的兴起，智慧农业焕发出新的动力，“物联网智慧农业”应运而生［2］。从农产品的种植到收获，其生长的各阶段均可使用物联网技术以提高生产效率和精细管理［3］。近年来，我国的设施农业生产的物联网化取得了快速发展［4］，作为设施农业重要形式的温室大棚，其物联网化发展趋势也日益明显。

目前我国已经成为全世界温室大棚种植面积最大的国家。在温室大棚的管理过程中，棚内环境对作物生长起着至关重要的作用，因此诸如空气温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤墒情等环境参数的采集、监测和分析就显得极其重要［5］。温室环境监控系统是提高温室作物产量、减少劳动力成本的关键技术，代表了温室生产的核心竞争力［6］。国外的温室环境监控技术较为成熟，智能化和自动化水平高，但引入造价高且安装维护复杂［7］。国内温室大棚监测起步较晚。马为红［8］等人设计了基于ZigBee和GPRS无线传输的温室环境智能监测和报警系统，但组网复杂且安装成本高。秦琳琳［6］等人设计了基于CAN总线的数据采集和基于Ajax的数据交互系统，但系统基于计算机开发，设备体积大、硬件成本高。张新良［9］等人给出了基于RS485总线和WiFi网络的监控方案，但局限于上位机操作。虽然近年来国内对物联网温室环境监控的研究有了诸多成果，但还存在设备体积大、功耗高、成本高等不足。

当前我国温室大棚大多处在中、小规模，为适应国内温室大棚特点，吸引中小型种植户的资金投入，智能化监控系统的引入要考虑整个系统的造价［10］。围绕现代设施农业温室大棚的发展需求，以智慧农业“感知、传输、处理、应用”为主线，以中科芯32位单片机为控制核心，综合应用各类传感器技术，以可控的成本设计了温室大棚综合监测与管理系统，以实现温室环境监测的微型化、智能化、自动化。

1 总体设计方案

所设计的温室环境监控系统主要由智能感知器、功能执行器、人机交互界面及无线传输模块4个部分组成，如图1所示。各功能模块协作完成对温室大棚内影响农作物生长的各项参数的采集和调控。此外，系统可将采集的各项参数信息及执行器状态信息发送到网页及手机客户端，便于用户远程监视。

图1 系统总体设计

温室环境监控系统的硬件组成包括电源及稳压模块、CS32F103控制器、按键输入模块、各路传感器模块、OLED显示模块、LED指示模块、继电器控制模块及网络传输模块等，各部分连接情况如图2所示。

图2 系统硬件组成

1.1 温室大棚智能感知器

智能感知器基于中科芯控制芯片，通过对温室大棚环境的多点布局，实现对空气温湿度、土壤湿度、光照强度的实时采集。

系统所用温湿度传感器DHT11使用单总线协议，方便应用于多点布局。温室大棚监控系统在长时间工作后，主控板的温度会逐渐升高，造成直接安放在主控板的温度传感器的采样值偏大，这将使得后期的分析控制产生偏差。CS32F103芯片内设温度传感器，当内部芯片温度过大时将对板载温度传感器进行温度补偿，以减弱主控板升温带来的影响。温度补偿公式为

式中，To为输出温度；Ti为传感器采样温度；Tc为芯片温度；Tt为温度补偿阈值；ρ为温度补偿系数。

系统使用的土壤湿度传感器FC-28根据土壤的含水量与其导电性的正相关性原理进行土壤湿度的检测。实际使用中发现湿度采样值偶尔出现偏差较大的峰谷值。由于湿度的检测具有一定的时滞性，选择中位值平均滤波法，即连续采样后去除最大最小值取平均的方法，以防止脉冲干扰。滤波公式为

式中，Mo为输出土壤湿度；Mi为连续采样湿度；n为采样次数。

1.2 温室大棚功能执行器

功能执行器基于中科芯控制芯片，通过4路LED指示灯显示采集的各路传感器信息是否超出设定的阈值，通过传感器联动及继电器控制实现对排风机、水泵、警报蜂鸣器、补光灯等设备的执行控制。

1.3 人机交互界面

人机交互界面的显示设备为I2C总线通信模式的OLED，输入设备为五向开关按键，存储设备为掉电不丢失的AT24C02芯片。用户可结合按键和屏幕更改各组控制参数阈值并实时查看传感器数据，调整后的阈值保存在AT24C02芯片中于系统重启后生效。

1.4 无线传输模块

无线传输模块使用器件为ESP8266 WiFi模块，传输协议为HTTP协议，上传的数据包括空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度及各路执行机构控制信息。用户可通过网页及客户端查看各组数据，以了解温室环境状况。

2 系统的硬件设计

系统控制器选用的是中科芯CS32F103C8T6，芯片内核为 ARM 32位 Cortex-M3，工作频率最高72 MHz，内置64 KB的闪存储器，具有丰富的外设资源。光照强度采集芯片选用BH1750FVI芯片。该芯片具有高分辨率，支持较大范围的光照强度变化等优点。土壤湿度采集基于LM393芯片设计，可将土壤湿度探测头的阻值转化为电压值输入，通过电位器调节比较电压可输出数字量。

系统在满足使用要求的前提下选用了小体积、低功耗、低成本的芯片，以简化系统设计，降低安装、使用和维护成本。

3 系统的程序设计

温室环境监控系统程序主要包括人机交互程序、物联网数据传输程序、系统控制程序等部分。

3.1 人机交互程序设计

人机交互程序流程如图3所示。人机交互按功能划分为3个显示界面：阈值选择主界面、阈值设置二级界面、传感器数据显示界面。

图3 人机交互程序设计流程图

初始化完成后系统显示阈值选择主界面，主界面为空气湿度、空气温度、土壤湿度、光照强度4组阈值参数的设置入口。当功能按键按下后，系统将根据当前界面属性处理按键消息并执行各项功能。主界面可切换至所选参数组的阈值设置二级界面和传感器数据显示界面。二级界面下，用户可通过五向开关按键修改阈值参数并保存到AT24C02芯片中。数据显示界面显示上述4组传感器数据，并可通过按键刷新信息。

3.2 物联网数据传输程序设计

物联网数据传输基于ESP8266与中移动OneNET物联网平台设计，其程序设计流程如图4所示。

图4 物联网数据传输程序设计流程图

首先，系统通过CS32F103C8芯片的USART模块向ESP8266模块发送AT指令以完成硬件初始化，并配置连接WiFi网络。然后，基于中移动OneNET物联网平台，设计温室环境监控系统的远程界面，包括网页端和手机客户端，以方便用户随时随地查看温室当前的环境状况。最后，物联网数据传输系统将传感器数据、执行设备的工作状态等生成数据报文，基于HTTP网络协议将数据报文上传至物联网平台。

系统使用HTTP协议的POST方法向设备云上传数据流，每条数据流由API秘钥、设备ID及一个或多个数据点组成，每个数据点由标识符及对应传感器采样值组成。在物联网平台上针对该设备创建应用，将接收的各组数据点通过仪表盘、折线图等方式进行可视化，完成系统互联网界面的创建工作。

温室环境监测对即时性要求不高，在调试阶段将每轮数据传输定时为5 s可方便查看传输数据是否正常。后期应用可延长定时时间，以提高系统的快速响应性。

3.3 系统控制程序设计

监控系统初始化完成后采集传感器数据，据此完成对执行机构的驱动控制，程序设计流程如图5所示。

图5 系统控制程序设计流程图

采集的空气温湿度、土壤湿度、光照强度等传感器数据进行预处理后，与存储在AT24C02芯片中的阈值相比较，根据比较结果控制继电器工作状态，进而控制风扇、水泵、补光灯等的执行动作。此外，通过4路LED指示温室当前的环境状态是否正常。

系统总体流程可总结为：按键扫描与消息处理、显示界面刷新、数据采集与执行控制、数据定时传输。

4 系统的实验结果

电路连接与程序编写完成后，搭建温室大棚简易模型并将监控系统安装到模型中，完成程序调试和功能复现等工作。

测试方式如下：通过人机界面查看实时采集的数据，并通过按键操纵更改阈值参数，断电后重启系统查看参数是否生效；通过环境干预和阈值更改的方法查看指示灯及控制设备运行是否正常；通过登录网页及手机客户端操作平台查看数据传输是否正常。

人机交互的测试过程如图6所示。图6(a)为阈值选择主界面，图6(b)为空气湿度组阈值设置二级界面，图6(c)为传感器数据显示界面。经测试，数据采集与屏幕显示正常，阈值更改与存储正常。根据传感器数据手册和实际测量，系统各项参数检测精度如表1所示。其中土壤湿度检测精度未知。

图6 人机交互测试界面

表1 各项参数检测精度

网络传输的测试界面如图7所示。界面左侧记录4组传感器数据，包括空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度；右侧显示4组控制设备开关标志，包括高温警报、换气风扇、水泵喷水、补光开关。经测试，控制设备运行正常，数据传输正常。

图7 温室环境监测网页界面

5 结束语

所设计的基于物联网的温室环境监控系统可采集温室大棚的环境参数，控制辅助植物生长的调节设备，并可通过网页和手机客户端对温室大棚进行远程监测。系统成本低廉，使用方便，具有良好的应用前景。系统后期可从多节点数据监测、远程控制、神经网络辅助决策等方面进行改进和扩展，为农业活动的智能化自动化控制提供更好的保障。