基于物联网智慧温室大棚监测控制系统

刘文生

（朝阳工程技术学校，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

随着物联网技术的发展，物联网智慧农业应运而生。为实现对温室大棚内温度湿度等参数的精准调控，节约成本，提高经济效益，可运用物联网技术构建温室大棚的智能监控系统[1]，对温室大棚的温度、湿度、土壤水分等环境数据进行实时的监测，并通过移动通信网络无线传输到物联网云平台监控中心。农户使用电脑或手机实时查询大棚环境数据及各种调控环境设备的工作状态，农户可以通过移动网络远程操控大棚设备，监控中心管理系统也可以根据设定的参数自动调控设备，科学精准管理农作物生长，提高生产质量和效益。本文设计的智慧农业大棚监测控制系统，可用基于ZigBee协议组成的传感器网络采集大棚环境数据,具有功耗低、成本小、微型化和方便扩展的优点。主控制器采用STM32F103单片机，主控制器外接超低功耗且适合物联网的A6无线网络GPRS模块，农作物图像采集部分使用集成视觉算法的开源OpenMV4 H7摄像头，可以追踪病虫害农作物进行拍摄，而传统摄像头无选择地大量拍摄农作物图片，浪费大量系统资源。

1 系统总体构架

基于物联网的温室大棚由感知层、网络层、应用层构成。感知层主要包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤湿度等传感器节点以及各种调节温室大棚环境的控制设备[2]。网络层包括基于ZigBee协议的无线传感器网络和接入网络。无线传感器网络通信模块实现大棚环境感知层传感器节点、大棚控制器节点与网关之间的数据通信，网关负责把汇集的信息接入网络，通过移动通信或互联网网关实现与云服务平台之间的数据交互，将大棚感知层的数据传输到物联网云服务平台。应用层以专家系统、人工智能和云计算平台等为基础，分析处理感知层采集的数据，向控制设备发出调整大棚环境指令信号，向农户提供植物生长的科学信息。

2 系统硬件设计

系统硬件以STM32F103微处理器为核心，STM32F103单片机以Cortex-M3为内核，时钟高达72M,有多达112个快速I/O接口和多种通信接口，成本低且性能好[3]。此外还有各种传感器、视频摄像头、ZigBee传感器网络模块、A6 GPRS通信模块、大棚环境数据显示模块和温室大棚环境调节设备控制模块。

2.1 温室大棚环境数据采集节点硬件

传感器网络模块采用CC2630，它是ZigBee终端管理模块和协调器模块的核心。温室大棚面积有几百平方米，需要采集多个区域的温度、湿度、光照等数据，传感器数量可达上千个。ZigBee基于IEEE802.15.4标准的协议，无线网络覆盖几百米，单个网络最多可接入六千多个ZigBee设备,组网成本低，传输速度快，能够满足传感器数据传输要求[4]。

（1）图像采集摄像头选用OpenMV4 H7，用于大棚农作物病虫害的图像采集。OpenMV4 H7内部集成了很多机器视觉算法，可以设定颜色阈值，采集病虫害农作物图片。OpenMV4 H7摄像头具有舵机控制功能，可以实现上下左右180°范围内的旋转，实现循环多角度转动追踪监测病态农作物叶片，OpenMV4 H7内置的模块对病虫害农作物拍照存图，通过网络上传到物联网云平台，运用专家系统进一步判别植物的病虫害[5]。

（2）温室大棚温湿度是两个重要指标，植物的生长依赖适当的温湿度。可采用能同时监控温度和湿度的SHT15智能传感器，SHT15具有自行校准功能。

（3）二氧化碳与植物的光合作用有关，而且与光有特定关系。可选用T6004二氧化碳浓度传感器，该传感器采用红外单波非色散理论设计，体积小结构紧凑，具有自行校准功能。采用MAX44009光照强度传感器，测量范围为0.045～188000流明，工作电流不足0.65μA，可提供I²C数字输出，能于-40℃～85℃温差范围内运行,功耗很低[6]。

（4）土壤温湿度是判断土壤肥力的重要参数，土壤温湿度对氮化速度影响极大，土壤氮化程度直接影响土壤的肥力。土壤温湿度传感器方面采用Sensirion的SHT21，它含一个标准能隙温度传感元件、一个电容式温度传感元器件，具有理想的运行可靠性。

（5）液晶显示方面采用TJC8048K070_011C 型触摸液晶屏，其主要是用来显示智能农业温室大棚内的各项环境参数并调节控制相关参数。显示的环境参量有室内温度、室内湿度、土壤湿度、CO2浓度、光照强度、风速、雨雪等以及设定的环境参量值。在触摸液晶屏上可以控制加湿系统、灌溉系统、植物生长灯、通风扇及窗户的开关，以此来控制温室大棚内的环境参数。

2.2 温室环境控制模块

控制模块接收物联网云端控制信息或大棚内手动控制指令，通过控制模块对大棚环境进行调节，主要有升温、排风、补光遮阳等模块。采用8路光电耦合继电器，该继电器驱动能力强，性能稳定，触发电流仅有5mA，继电器模块根据控制器控制指令调控温室大棚的环境设备，主要包括加温设备、CO2补气机、排风设备、补光灯、遮阳网等[7]。

2.3 网络通信模块

我国大部分温室大棚分布于农村或城市郊区，互联网接入条件不够方便，这些地区的移动网络覆盖范围也不及城市区域广泛。由于地理环境的原因，移动通信3G或4G存在网络不稳定的情况，而GPRS网络目前基本覆盖了全国绝大部分地区，信号强度好，稳定通畅。温室大棚智能网关传输的数据量较少，适合采用GPRS通讯方式。本系统采用A6 GPRS模块，功耗小，提供串口转GPRS/短信息/语音通话等信息传输功能，广泛用于物联网车载环境检测等领域。

3 监测控制系统软件

温室大棚环境监测控制系统的应用程序主要包括人机交互程序、感知层数据传输程序、环境参数控制程序等部分。监测控制系统具有用户权限设置、环境数据图形化处理与分析、农作物病虫害诊断分析和温室大棚智能管理等功能。用户权限设置能够对不同的人群设定不同等级的管理权限，系统管理员拥有所有权限，而普通用户只有基本的操作权限。物联网平台软件支持农户使用电脑和手机对大棚环境设备状态进行实时查询，监测控制系统软件能够将采集到的温室大棚的温度、湿度、光照等参数数据，进行图形化数据处理并展示，数值超过设定值，用红色显示。具有相应权限农户可以通过电脑或手机设定大棚环境阈值，对大棚环境调控设备进行控制，满足农作物生长要求。

4 监测控制系统测试

监测控制系统完成后，将系统置于某农业学校实训温室大棚内进行测试，大棚安装8个ZigBee终端采集节点、1个ZigBee协调器。测试方式如下: 使用电脑或手机实时查询环境数据设备状态，设定环境参数阈值; 发出控制指令查看控制设备运行是否正常;登录云平台查看数据传输是否正常。测试结果：温度测试误差±2℃，湿度误差5%RH，光强误差±1Lx。通过物联网平台下发指令，可以实现远程自动或手动对设备进行控制。OpenMV4 H7摄像头采集农作物图片160幅，为农作物病虫害诊断提供依据。

5 结论

本文设计的智慧温室大棚监测控制系统，实现了对温室大棚环境的全方位实时监测控制，具有现场手动控制和远程PC或手机查询及调控环境参数功能，能为农作物提供适合生长的环境。现场测试显示，使用该系统后，农作物产量高、品质好、能耗少，温室大棚经济效益得到了提高。