基于物联网的大棚环境监控系统设计研究

李宝生 康健丽 肖镇中 禹化有

摘  要：本文设计了一种基于物联网的大棚环境监控系统。传感器采集大棚内的实时温度、湿度和二氧化碳浓度，经过微控制器计算处理后通过ZigBee无线传输技术送至AT89S51主控制器和云平台;主控制器根据设定规律控制电动卷帘机、风机、二氧化碳发生器运行状态，实现对大棚环境的智能控制;通过远程PC、手机等移动设备实现对大棚环境的实时监测。该系统操作简单，工作稳定，效率高、误差小，能够有效地提高大棚种植的经济效益。

关键词：物联网  大棚  智能监控  系统

中图分类号：S625;TP277                    文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（a）-0129-03

Abstract： This paper designs an environment monitoring system for greenhouse based on internet of things. The sensor collects the real-time temperature， humidity and CO2 concentration in the greenhouse， and sends it to the main controller of AT89S51 and the cloud platform through ZigBee technique after computing and processing by the microcontroller. The main controller controls the running state of electric roller shutter， fan and CO2 generator according to the set rule， and realizes the intelligent control of greenhouse environment. Through remote PC， mobile phone it can achieve real-time monitoring of the greenhouse environment. The system is simple to operate， stable to work， high efficiency， small error， and can effectively improve the economic benefits of greenhouse planting.

Key Words： Internet of things; Greenhouse; Intelligent control; System

社會城市化加速发展，大量的农村劳动力流动到城市务工，导致农村耕地种植方式由个体小规模种植向集体大规模化发展[1-3]。由于能够带来较高的经济效益，大棚种植方式成为了现代农业发展的重要载体，但由于大棚中多种植精品作物或反季作物，对大棚中的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照度等要求更高[4]-[5]。传统大棚靠人工根据经验收放保温卷帘、开关通风口来调节温、湿度等，在大规模的大棚种植模式下需要大量的人工，这就带来了费人、费力、费钱的问题，制约了大棚种植模式的发展[6]。随着近些年设施农业的飞速发展，和大棚相关的装备设施逐步走向机械化、智能化，应用到大棚环境智能控制的监控系统也越来越多[7-8]，本文设计了一种基于物联网的大棚环境监控系统，预先在系统中输入根据经验和研究得出的不同时间有助于作物生长的温度、湿度和二氧化碳浓度范围值，通过传感器采集大棚内的实时温度、湿度和二氧化碳浓度并传输给主控制器和给定范围作对比，判断执行相关自动装置，同时将数据传送给云平台，实现通过远程PC、手机等移动设备对大棚温度、湿度、二氧化碳浓度的远程实时监测。该系统控制大棚环境的效率高、误差小，可以大量节省人力、物力，为作物提供最适宜的生长环境，对推动大棚生产智能化有重要的意义。

1  系统硬件设计

1.1 系统整体设计

基于物联网的大棚环境监控系统，由传感器部分、无线通信部分、主控制器和远程监测部分组成，如图1所示。

传感器部分主要是通过不同种类的传感器来获取大棚内的温度、湿度和二氧化碳实时数据。无线通信部分是负责将传感器采集的数据经过微控制器处理后通过ZigBee无线传输技术传送至主控制器和云平台。

主控制器负责获取大棚内的数据，并按照规则向电动卷帘机、风机、二氧化碳发生器下发控制命令。云平台主要实现远程PC、手机等移动设备对大棚环境的实时监测。

1.2 传感器位置分布

由于大棚占地面积大，各个位置的环境差别较大，需要对采集大棚的传感器进行合理的布置，通过获取大棚不同部位的环境数据进行融合来确定当前大棚内环境的实际参数。

若将每个传感器作为一个检测节点，1号节点在入门位置，3～6号节点在大棚的四个角落，7、8号节点在大棚中间两侧的位置。通过不同节点获取大棚内部7个不同位置的温度、湿度、二氧化碳浓度数据再计算平均值，得出大棚内的误差较小的环境参数。

1.3 主控制器

设计的系统的核心主控制器是AT89S51单片机，该8位单片机由美国ATMEL公司生产，采用高密度、非易失性存储技术制造，性能高、功耗低，能够很好地兼容标准的MCS-51指令系统，单片机在内部集成着：引脚40个、4kBytesFlash片内程序存储器、28bytes随机存取数据存储器（RAM）、32个外部双向输入/输出（I/O）口、5个中断优先级2层中断嵌套中断、2个16位可编程定时计数器、2个全双工串行通信口、看门狗（WDT）电路、片内时钟振荡器，同时能够以PDIP、TQFP和PLCC三种形式进行封装，更便捷地作为控制应用系统主控制器。

1.4 温度传感器及温度调控

系统选取的是热电阻式的Pt100温湿度传感器，该传感器的温度采集范围为：-200℃～+850℃，工作原理是利用热电阻的温度与阻值变化之间的关系：R=Ro（1+αT）。（α=0.00392，为铂电阻温度系数;Ro是铂电阻0℃的电阻值;T是摄氏温度）。

种植在大棚内的农作物在适宜的温度下，更有利于进行光合作用，大棚内的温度过高或过低都不利于农作物生长。本系统对大棚内温度的调控主要是：（1）当传感器监测到的实时温度传输到主控制器进行对比后高于作物最适宜生长温度值时，主控制器发出指令，电动卷帘机动作打开卷帘;（2）当传感器监测到的实时温度传输到主控制器进行对比后低于作物最适宜生长温度值时或在作物最适宜生长温度值范围内时，主控制器发出指令，电动卷帘机动作放下卷帘。

1.5 湿度传感器及湿度调控

系统选用的是YL69湿度传感器，该传感器测量精度高且硬件电路简单，可以能够适应测试不同土质土壤的湿度。

空气湿度过大会导致作物叶面沾湿，是大棚作物病害多发的最主要因素之一，因此严格控制大棚环境湿度，是大棚作物健康生长的重要手段。本系统对大棚内湿度的调控主要是：（1）当传感器将监测到的实时大棚湿度值传输到主控制器进行对比后大于作物最适宜生长湿度值时，主控制器发出指令，大棚内的风机工作，降低大棚环境湿度。（2）当传感器将监测到的实时湿度值传输到主控制器进行对比后小于作物最适宜生长湿度值或在作物最适宜生长湿度值范围内时，主控制器发出指令，风机停止工作。

1.6 二氧化碳传感器及二氧化碳值调控

系统选用的是MH-Z14A二氧化碳传感器，该传感器为通用、智能、小型傳感器，工作原理是利用非色散红外（NDIR）原理对空气中的二氧化碳进行探测，具有可靠性高、使用方便的特点。

二氧化碳是植物进行光合作用的重要因素，合理控制大棚内的二氧化碳浓度，有利于作物健康生长。本系统对大棚内二氧化碳浓度的调控主要是：（1）当传感器将监测到的实时大棚二氧化碳浓度值传输到主控制器进行对比后小于作物最适宜生长的二氧化碳浓度时，主控制器发出指令，二氧化碳发生器开始工作，制造二氧化碳气体。（2）当传感器将监测到的实时大棚二氧化碳浓度值传输到主控制器进行对比后大于作物最适宜生长的二氧化碳浓度或在作物最适宜生长的二氧化碳浓度值范围内时，主控制器发出指令，二氧化碳发生器停止工作。

1.7 无线通信模块

无线通信模块采用的是核心芯片为CC5230的ZigBee无线收发模块，每个节点的传感器值经过微控制器处理后再经无线传输至主控制器和云平台，实现对大棚环境的监控。

2  系统软件设计

由于大棚内环境每时每刻都在变化，因此各传感器需要不断采集数据传输至主控制器进行对比，规定系统启动后为自动模式，主控制器获取各传感器取平均值后的数据和给定范围值进行对比，得出对比结果后实现对大棚环境的调控。系统软件流程图如图2所示。

3  结语

本文设计的基于物联网的大棚环境监控系统，能够实时获得大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度数值，并通过与设定值对比后自动做出动作，实现对大棚环境的自动调节，并能够实现对大棚环境的远程监控，该系统操作简单，可靠性高，能够大大降低人工成本，实现对大棚环境的自动化智能监控。

参考文献

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