温室大棚环境监测仿真系统设计概述

杜伟 焦雪燕 黄良帅

摘 要 近年来，传统的温室大棚面临着管理成本急剧增长等挑战。为了解决上述问题，研究并设计了一套以STM32为主控芯片的温室大棚环境监测仿真系统。系统结合传感器和智能控制技术，模拟了对温室大棚的一些基本环境因子的监测，并通过无线传输技术将采集的数据上传至OneNET平台，可根据实际需要对温室环境进行自主调节。该系统能够根据植物生长习性的不同而调整环境阈值，可以适用于不同的种植环境。

关键词 温室大棚;环境监测;智能控制;云平台

Design of Environmental Monitoring Simulation System for Greenhouse*

Du Wei Jiao Xueyan Huang Liangshuai Yao Lixuan Gong Xiugang

School of computer Science and Technology， Shandong University of Technology， Zibo Shandong 255049， China

Abstract In recent years， traditional greenhouses have faced challenges such as rapidly increasing management costs. In order to solve the above problems， a set of greenhouse greenhouse environment monitoring simulation system with STM32 as the main control chip was designed. The system combines sensors and intelligent control technology， simulates the monitoring of some basic environmental factors in the greenhouse， and uploads the collected data to the OneNET platform through wireless transmission technology， which can independently adjust the greenhouse environment according to actual needs. The system can adjust the environmental threshold according to different plant growth habits， and can be applied to different planting environments.

Key words Greenhouse; Environmental monitoring; Intelligent control; Cloud platform

引言

近年來，由于缺乏科学高效的管理方法，大多数的传统农户是根据自身经验和简易设备来对温室环境进行调节，而且缺少智能化和机械化的结构设施，需要大量人力资源进行管理，稍有不慎便会造成经济损失。温室大棚环境监测仿真系统结合传感器技术、智能控制技术以及与云平台的数据共享，可以实现少数人使用终端设备来实时监测大棚内的环境数据并实行相对应的远程智能控制。能帮助管理者及时掌握温室内环境数据并加以调控，降低经济损失和管理成本。

1 系统组成

本次开发的温室大棚环境监测仿真系统以STM32F103RET6单片机作为主控制器，外围主要包括OneNET网络平台、数据采集模块和智能控制模块三部分。其具体结构如图1所示。

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系统主要功能为通过已安装的外围传感器来实时精确地采集当前温室大棚内的空气温湿度、土壤湿度、CO2浓度和光照强度等一系列对温室农作物生长具有影响的环境数据，然后通过STM32单片机连接的ESP8266 WIFI无线传输模块将采集到的数据发送至OneNET平台。利用OneNET平台的开放资源，在用户自创建的应用中以图表的方式来实时更新当前温室内的环境信息。同时可以通过实时比较已采集到的数据值与人为设定的阈值之间的差距，使用用户端应用内的按钮远程控制大棚内的补光灯、水管和风扇的使用，实现温室内环境智能化的调节。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块综合价格低，灵敏度高，输出稳定等考虑选用了MG811电解质二氧化碳传感器，在此系统中我们选择其TTL电平输出。基于系统出于仿真的考虑和实行的复杂性和性价比，选用了精度相对适中的YL-69土壤湿度传感器。在温湿度和光照强度采集方面，由于直接选用数字输出的传感器可以去除模数转换的复杂过程，分别选用了DHT11和GY-30。其采集原理均为检测STM32I/O口的高低电平。在设计时将蜂鸣器的响声作为接入云平台的提示音，所以系统工作时只需等待蜂鸣器发出“滴”的声音。单片机所连接的传感器通过UART串口通信的方式将数据发送给单片机，并保存在单片机的储存卡中，完成温室环境因子的采集。

2.2 智能控制模块

系统需要使用大量的继电器，其连接方式如下：继電器的IN口与单片机的I/O口直接相连接，NO口和COM口分别与12V电源和外围机械相连接，使得继电器、电源和外围机械连接成一个闭合回路。其控制原理为：将上层命令转化为数字量，根据数值的不同控制单片机I/O口输出的高低电平，分别对应着继电器的通断状态，从而间接地控制风扇、水管、灯泡等外围机械设备的使用。

3 系统软件设计

3.1 接入平台设置

系统需要通过第三方API接口来接入OneNET物联网平台。本系统需要首先确认工作环境下的可以使用的WIFI网络，在代码中无线传输模块相应的AT指令下写入将要连接的WIFI名称和密码。系统接入时选用了一种基于TCP的长连接协议——EDP协议[1]。即在云平台创建基于EDP协议连接的设备产品[2]。然后在平台接入协议的代码中找到设备的ID和APIkey，修改至与所创建设备的相关信息一致。如果OneNET平台的设备管理列表中显示设备在线，则成功接入平台网络。其连接原理为：STM32单片机通过ESP8266模块接入环境中存在的WIFI网络，利用连接的WIFI间接连接OneNET平台，实现上网和数据交互的功能。

3.2 GUI应用模块

本系统采用了OneNET平台提供的应用界面。等待设备上线后，传感器采集到的数据将通过无线传输模块上传到OneNET平台。用户在创建的应用里可以看到圆盘表和折线图式的数据。等待主控板设备上线成功，打开已创建的与主控板发送的数据流相关联的API应用，数据会显示在应用上，也可以通过应用对主控板实现反向的控制。

应用控制原理如下：通过平台比较获取的环境数据和人为在应用中设置的阈值的差异，来向设备发送字符串命令，主控板收到平台下发的命令后进行解包，按下应用中OFF和ON的按钮，将对应下发不同的字符串命令，字符串命令在单片机内经程序转化为1和0的数值。若转化后的数值为1，则控制继电器的闭合，外围设备便会与电源接通并进行工作。反之转化为0，则控制继电器断开，设备失去电力供应便停止工作。其部分数据显示及控制应用如图2所示。

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4 结束语

本仿真系统模拟了对温室中能够影响农作物生长的主要环境因素的实时数据监测，而且借助免费的云平台应用，使其能够在网页端以图表的形式显示，易于观察和记录。同时能够根据农作物的不同，改变各环境影响因素的阈值并加以远程环境调控，可以定制于多种不同习性的农作物的种植。后期此系统也可进一步的完善，实现对模块的分立控制，能源的消耗将有效降低。同时可以完善应用并进行后期的数据分析，使管理者更好地了解农作物的生长状态，以便于及时做出控制调整。

参考文献

[1]孙忠祥.基于设备云平台的智能农业温室大棚远程监控系统的实现[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2017.

[2]肖蕾，刘威，黄慧明.多场景环境监测系统的设计与实现[J].信息技术，2019（6）：96-100，105.

作者简介：

杜伟（2000-），男，山东菏泽人;学历：本科三年级，毕业院校：山东理工大学在校生，山东理工大学在读，专业：通信工程，研究方向：通信工程。

焦雪燕（1997-），女，山东滨州人;学历：本科四年级，山东理工大学在读，专业：计算机科学与技术，研究方向：计算机科学与技术。

黄良帅（1999-），男，山东济宁;学历：本科三年级，毕业院校：山东理工大学在读，专业：计算机科学与技术，研究方向：计算机科学与技术。

姚力煊（1998-），男，山东荣成人;学历：本科三年级，毕业院校：山东理工大学在读，专业：计算机科学与技术，研究方向：计算机科学与技术。