基于云平台的温室大棚环境数据采集与控制系统研究

2022-05-20杨青青巩倩倩

无线互联科技 2022年5期

杨青青,秦芹,巩倩倩,王岩,赵倩

(保定学院,河北保定 071000)

0 引言

温室大棚对农作物生长起着决定性作用。大棚不仅可以抵抗自然灾害,防寒保温,抗旱、涝,还能提早栽培,延后栽培,延长作物的生长期,达到早熟、晚熟、增产稳产的目的,具有重要的使用价值[1]。不同的农作物在温室大棚生长过程中,对光照、土壤湿度等因素要求不同,温室大棚内适宜的生长环境能够促进农作物产量的提高。本文结合传感器技术,嵌入式技术,计算机软硬件技术,对温室大棚环境内数据(空气温湿度、光照强度、土壤湿度、CO2等)进行实时监测,用户只需要在手机上便可实时查询温室大棚内的环境参数,并根据实际情况进行相应设备的控制,达到蔬菜最适生长环境。本系统开发成本低,简单易操作,具有非常重要的实用价值。

1 系统总体设计

本系统在温室大棚内部署多个光照传感器、空气温度、湿度、土壤湿度传感器、CO2传感器等采集环境参数,采集的数据通过无线通信技术,将数据上传至云平台,并调用相应的API函数从云平台中获取数据,通过微信小程序实现对温室大棚环境的实时监测及控制[3-4]。总体设计如图1所示。

图1 系统总体设计

2 系统硬件设计

2.1 核心模块

本系统采用Arduino UNO为系统主控板[2],通过外接各种传感器来感应温室大棚环境信息,Arduino UNO主控芯片是ATmega328,它有14个数字输入/输出引脚、1个晶体振荡器(16 MHz)、1个DC口、1个USB接口、1个复位按钮、1个ICSP接口,可以用电池或AC-DC适配器供电。操作简单,自由度大,价格合适。

2.2 温湿度传感器

温度和湿度是影响农作物正常生长的重要因素。作为温室大棚,要随时能够了解空气的温湿度。适合的温度,适当的空气湿度,能够保证作物顺利开展各项生长环节。本系统采用DHT11传感器采集温室大棚的空气温湿度值,可以根据作物生长过程的不同阶段,自动调节空气温湿度,提供作物该阶段最优的生长需求方案,保证作物高质量生长。DHT11工作电压为5 V、湿度精度为±5% RH、温度精度为±2 ℃,内置NTC测温元件和电阻式测湿元件,采用4针单排引脚封装模式,与主控开发板之间连接便捷。DHT11传感器具有体积小、响应速度快、质量可靠、功耗较低等特点。

2.3 光照传感器

不同的农作物对光照的需求是不同的,作为温室大棚,在不同的季节、不同的时段、不同的地形中,所接受到的光照也是有很大差异。因此光照强度的调节,成为最主要最复杂的调节因素。本系统采用GY-302采集温室大棚的光照度。通过检测温室大棚内光照环境,配合LED灯,调节农作物的光合作用。GY-302传感器内置BH1750芯片,其工作电压为3~5 V、通信方式采用I2C。

2.4 二氧化碳传感器

温室大棚CO2浓度过多或过少都会直接影响农作物的生长,过多则影响光合作用及呼吸代谢的正常进行,过少则导致产量下降、品质降低。由于温室大棚处于密闭环境,浓度与自然环境有所差别,一般情况下,温室大棚CO2浓度夜间积累量仅有500~700 g/m3,日出后1~1.5 h内浓度会急剧下降,上午9点降到300 g/m3,上午11点左右降到150 g/m3,出现CO2饥饿,需要通风,达到增产的目的。本系统采用SGP30传感器采集温室大棚内农作物的SGP30浓度,供电电压为3.3 V,使用I2C接口进行数据采集。

2.5 土壤湿度传感器

土壤是农作物生长的一切营养的主要来源。土壤的温湿度直接影响农作物对各种生长所需元素的吸收状况,尤其是湿度。土壤的湿度要求要随时传递到数据中心,以便及时进行调整。合适的湿度能够让作物及时获取各个阶段所需要的营养物质,从而到达优质优产的目的。

本系统采用电容式土壤湿度传感器来采集温室大棚农作物的土壤湿度。传感器以农作物土质的介电常数为输出指标,农作物土壤的水分含量能够测量出来。当土壤湿度传感器的探头未插入土壤时,三极管基极处于开路状态,输出数值0;当插入土壤时,三极管的基极产生导通电流。因此集电极到发射极的导通电流受到基极控制,经过发射极的下拉电阻后就会转换成电压。

3 软件系统设计

上位机采用微信小程序实现,界面能够实时显示空气温湿度、光照强度、土壤湿度等参数。输入正确的ID和产品APIKEY,进入登录界面后,调用相应的API函数,请求方式采用GET方法,从云平台获取数据信息(温湿度、光照度、土壤湿度、CO2浓度)。调用相应的API函数,通过POST方法下发命令,能控制下位机发出指定动作(灯开关、控制风扇开关、控制水泵开关)使环境趋于正常值。微信小程序界面,如图2所示。