基于物联网的智能温室大棚控制系统设计

闫浩然，张贺龙，王建强，2

(1.河北水利电力学院 自动化与通信工程学院，河北 沧州 061000；2.河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心，河北 沧州 061001)

0 引言

现阶段，物联网在智能大棚方面的应用多集中于操控单一农作物的温室大棚，且多为复杂的大型系统，成本高昂。而该方面的研究投入对于有更高要求的多种农作物栽培的智能温室来说目前相对不足。传统的多农作物农业生产大棚往往面临监管不当，没有及时的浇水施肥，跟不上农作物的生长需求等多种问题；为了开发更加灵活适应多农作物的农业大棚，设计了具有触摸屏操控，手机APP检测的智控大棚，其具有全方位的数据监控，保障作物生长的各项所需，自动化操作，提高农业的效益和竞争力；智控大棚结合大数据、物联网、多元化结构来实现灵活种植的功能，在同一片区域，根据不同农作物的土壤需求改变参数，兼具选择性和适应性。该项目在调研河北省普通农户种植大棚情况的基础上，重点研究智能物联网技术在大棚中不同农作物的种植应用，并考虑其扩展性。将智能控制应用于温湿度控制、施肥喷药、自动卷帘等工序。设计小型智能控制系统，重点研究其灵活性、可移植性、扩展性并最大程度降低成本。通过无线传感技术构建温室大棚的数据无线传感网络，利用WiFi、红外等通信技术实现数据的采集传输，实现现场监控设备、触摸屏、手机之间的实时数据交互。通过智能设备的接入，由手机端通过相应的小程序或者APP进行操控，从而方便、快捷、经济地实现小型温室和微型温室的智能控制。

1 大棚控制系统硬件设计

系统的硬件结构图如图1所示。

图1 大棚控制系统硬件结构图

控制系统硬件包括检测模块，主控单片机使用arduino mega2560板，采用modbus485通信模块和ESP8266WiFi无数据线传输，并由触摸屏及终端控制外设配套继电器控制设备等构成。

1.1 检测模块

检测模块由液位高度感应器、温度传感器、土壤湿度传感器、光强传感器、激光红外复合型的发送与接收器、气体临界值二氧化碳含量感应器和液位高度感应器构成。检测模块测量的主要参数是温度和湿度、二氧化碳浓度数值、液位高低等。测量温湿度的传感器采用数字温湿传感器DHT11，数字信号方便直接在单片机上处理加快反应的准确性和快速性。

1.1.1 DHT11

数字型相对温度湿度感应器(DHT11)是一个检测温度高低与周围水分湿润程度的复合感应器,并带有校准结构的数字信号输入输出。拥有可通过独特的数码模块收集温湿度数据的效果,保证了产品的高可靠度和良好的长久工作稳定性。该感应器分为电阻型温度湿度传感器和NTC量化感应器。DHT11的数据引脚主要用于微处理器与DHT模组间的通讯与同步。通过单总线数据信息格式,每次的通讯时间大约为4 ms，当MCU发送启动信号和DHT11响应信号定时一致时，可进行精确测量。此系统采用数字口D9接入DHT11数据传输口，传感器正极和负极与单片机上的正极和负极一一对应，上电的同时数据同步采集到单片机中，并通过串口查看所需要的消息，采用的波特率是115 200 Bd。

1.1.2 土壤传感器

选用的传感器是LM393芯片的水土温湿度控制模块,是一种简单的水份传感器，可用来检测土壤中的含水率,表层镀镍而不宜锈蚀,可延长工作寿命,且传感器产品覆盖面广，增加了导电性能。模块化双输入输出模型,拥有更简单的数字输入输出和更准确的模拟输出。本系统使用了LM393芯片,工作平稳,信号清晰。模块蓝色电位计用于调整土壤湿度的阈值。如果顺时针调整，受控湿度将增加，反之降低。D0为单片机的数字口，土壤传感器三个引脚中的数据口和D1连接，传感器的正负极分别和arduino单片机的正负极相连，此时若需要拓展电源，依然可以用数字口通过软件编程实现稳定的高电平。当土壤温湿度未超过预设阈值时,通过D0端口产生高电平,当土壤温湿度高于预设阈值时,通过D0端口产生高低电平有效。而数字出口的D0可与单片机相连,单片机也可测量高低电平是否有效,从而测量土地温湿。主板模拟输出的A0可与AD模块直接相连,利用AD转换技术可以得到更精确的土地温湿数值。接线如图2。

图2 土壤湿度传感器接线图

1.1.3 光照传感器

光照传感器是一种将照明转换为电信号的传感器，其输出数值测量单位为勒克斯。光是光合效应所需要的基本条件，在一定条件下,当光照强度增大时,光合作用效率就会提高,而当光照强度达到最大时,植株叶片上的空气洞就会封闭,因此光合作用力度就会降低。所以，使用光线传感器技术调节光线已成为影响经济作物生产质量的主要方式。该系统中采用的arduino单片机与Risy GY-302光照传感器数据传输，将ADDR悬空后，正负极和数据线相连接，采用模拟信号的输入时连接arduino上的A0口即可，接线图如图3所示。

图3 光照传感器接线图

1.1.4 二氧化碳浓度传感器

传感器SGP30用来检测二氧化碳含量、室内空气质量(氨)气体，SGP30是一个金属氧化物的气体感应器,在一个芯片上拥有多种感应器元素,整合了4个气体感应器元素,并且拥有可完全校准的空气质量输出信号(MQ系列传感器对气体的区分度有一定的阈值，可以备选)。SGP(30型)是一种数字传感器，直接使用I2C接口进行数据采集，数据线为DATA与单片机的数字口连接，此系统温度采集采用onewire连接，VPD拉高，NC悬空，C-W接地即可，接线如图4所示。

图4 空气质量传感器接线图

1.2 主控单片机

ArduInO Mega2560核心主控电路板,拥有54个数码I/O通道,适合需要大量输入输出设备接口的设计；系统采用两种arduino型号进行设计，2560提供了强大的I/O接口，而UNO可以降低成本，实现多个网络应用[1]。

1.3 无线联网模块

无线物联网模块采用的是ESP8266，其封装了大量通信指令，使用Lua脚本为编写语言。该智控大棚运用无线联网模块，联通单片机和云端的接口，进入公网onenet，在单片机接收到DHT11发来的数据后，打包后发送到上位机，用户在云端上看到数据显示。而二氧化碳浓度、光照强度等值都可以通过无线联网模块上传到上位机，该大棚实现了在云端检测数据。该智控大棚不仅需要公网还要局域网的参与控制。

1.4 上位机触摸屏控制

MCU采集的传感器数据仅暂时存储于寄存器中。要实现单片机和触摸屏之间的信号交换,就必须进行单片机和触摸屏之间的通讯。研究中使用了modbus485通信,由于MCU引脚输出为TTL级,读写插针并不能直接与触控式通信。因此需要一个TTL-to-RS485输入输出电平转换模块,其RX引脚直接与MCU的TX插针相连。在大棚中对各种参数进行设置和调动，直接对触摸屏操作，提高效率[2]。触摸屏的添加使整个系统更加灵活，操作更加方便简单，利用总控制板实现通过触摸屏控制大棚内部一切设备的活动及动作的触发，也可采用人为控制。硬件流程图如图5。

图5 系统硬件流程图

2 系统软件设计

系统的软件设计包括单片机控制设计程序、移动端显示软件设计和触摸屏组态程序三部分。

2.1 单片机控制

控制系统的工作原理是通过测量模块将测得的温度和液位值发送到核心板上,并保存到特定的寄存器中。触控式和核心板间的联系采用modbus485协议进行,通过触控式读出特定辅助寄存器的监控数据并即时显示在触摸屏上,并通过管理策略改变单片机或微型计算机中相应辅助寄存器的数值，从而实现控制继电器参数阈值的目的。继电器和应用系统直接相连,继电器控制的应用系统主要包括控制小型电加热器中的接触器及自动泵、电气控制阀等。单片机控制器程序结构如图6所示。

图6 程序连接外设

2.2 触摸屏通信设计

触摸屏通信是整个系统的重要控制观测单元之一。研究过程使用了MCGS的TPC7062TX7显示器。MCU测量了各个元件的温度数值,然后将其传送至触摸屏。触摸屏通过系统时间确定管理策略,并将控制数据传给MCU的控制继电器。传感器将采集的温度、液位等数据,临时保存在MCU寄存器中。用于完成接触屏设备和单片机之间的信号交换,使接触屏读取设备的通道和单片机的寄存器相对应,并设置为相同的数据格式[3]。操作界面如图7所示。

图7 组态触摸屏界面设计

为方便控制系统设计，采用了Arduino MCU中的辅助寄存器/1-/200用作数据信息临时存储的寄存器,并把触控屏的数据信息格式设定为四区双字节数据读写类型,带有一些数据集，如图8所示。

图8 数据型设定

2.3 移动端软件设计

软件显示和检测操控，主要是由esp01s提供的数据，其主要的芯片是ATMEGA2560-16AU-100TQFP作为载体，用esp8266ex作为传递数据的主芯片。发射模块主要是把温湿度、光照强度、二氧化碳浓度打包上传到上位机，在云端可以检测到用户所得的数据。上位机方面，在上位机设置APP的格式，手机软件即可在界面查看数据。控制部分可以利用手机APP在云端控制相应地装备，设计按钮触发控制继电器、电机和风机。在系统上有一个参数，是智能控制的一层保障，第二层就是用户的手机APP控制，只要连上公网，即可实现远端操控。

软件开发是通过Android studio设计，可通过接受云端数据、数据图像化与云端通讯等控制外设。

3 系统特点

3.1 环境监测

在大棚内,可实时检测室内空气、土壤的温度湿度、光照强度、超临界二氧化碳含量及土壤酸碱度等植株的生长发育环境,进行数据上传、存储和共享。

3.2 智能调节

上传的实时数据达到既定阈值，自动执行施肥灌溉、调温调湿、通风、遮阳、光照等指令。

3.3 数据交互

可通过大棚内置液晶屏墙或手机APP查看调取棚内植物生长环境数据，并人为发送指令进行植物生长环境调控(远端操控)，项目展示如图9所示。

图9 APP界面管理

3.4 资源利用

通过太阳能板将太阳能转化为电能进行存储，实现资源的高效利用。

3.5 方便操作

触控式显示器,拥有结构简单、直观、图形清晰、坚固耐用、节约空间等优势，用户仅需要通过手指来触动显示屏上的相应图标或文字,即可运行系统并且查询到主机地址位置，实施相应的动作指令，因无须键盘和鼠标操控,极大地提高了计算机系统的可操作性与安全性,使人机交互变得更加直观和便于使用，也可手指触动计算机屏幕上的相应按键，进入信息页面。

4 效果分析

传统的大棚对生产农作物效益并不理想,原因主要是对湿度、冷热、光线、施肥用水等控制精准度不足,而该智能温室大棚针对上述问题进行优化，实现了完全自动化智能管理,并经过不同参数设计,使智控蔬菜大棚控制系统的稳定性、灵敏性、精准度等都获得了全面改善,降低了劳动力成本，有效提高了效率。该系统实现了全天候实时在线监测、操作。同时在大棚中增加触摸屏现场操作功能，实现了多方式通信。该智控大棚投入少、效率高、操作方便经济实惠，在现代化农业生产中，非常值得推广和应用。