基于物联网的温室大棚环境监控系统

范 闯，赵安琪，昝玉呈，张 雨

（南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188）

互联网在温室中的应用有了一定进展，也存在部分问题。首先，作为自组织网络和信息技术的农业物联网的传播并不完善，因此，有必要加强农业科技集成平台的建设。其次，由于物联网的普遍性，农业联网的通信协议不统一，各自的农业物联网也引入了各自的通信协议，这将给动物网络在农业中的应用带来困难。为了解决通信协议与农业物联网标准不一致的问题，本文以温室物联网为研究对象，用于实时采集数据温室环境信息，根据需要实时控制，数据分析、整理和集成，以及灾害预测。

1 总体设计

设计的温室监测系统主要由功能驱动、人机界面、智能传感器等组成，如图1所示。各功能模块协同采集和调整影响温室作物生长的各种参数。此外，系统还可以将收集到的致动器参数和状态信息发送到网页和移动客户端进行远程监控。

图1 系统总体设计

1.1 温室大棚智能感知器

智能传感器以中国科技控制芯片为核心，通过温室环境的多点布置，实现对气温、湿度、土壤湿度和光强的实时采集。

系统中使用的DHT11温湿度传感器采用单总线协议，便于多点布置，温室监控系统长时间运行后，主控面板的温度会逐渐升高，直接放置在主控面板上的温度传感器的测试值较高，导致与后续分析和控制的偏差。CS32F103芯片配备有温度传感器。如果芯片内部温度过高，则对板温度传感器进行补偿，以减少主设备温度升高的影响。

式中，To为出口温度；Ti是传感器的采样温度；Tc是芯片温度；Tt为温度补偿阈值；ρ是温度补偿系数。

系统中使用的土壤水分传感器FC-28根据土壤水分含量与其电导率正相关的原理检测土壤水分。在实际应用中，水分采样值有时会出现较大的峰谷偏差。由于水分检测有一定的时间延迟，为了避免脉冲干扰，采用了介质滤波的方法，即抑制最大值和最小值，并在连续采样后获得平均值，滤波公式为

式中，Mo为输出土壤湿度；Mi为连续采样湿度；n为采样次数。

1.2 温室大棚功能执行器

基于中国科技基础控制芯片，功能执行器显示传感器采集的信息是否超过4个发光二极管设定的阈值，排气扇、水泵、报警蜂鸣器的执行控制，加油灯等设备通过传感器连接和继电器控制实现。

1.3 人机交互界面

人机界面显示装置采用I2C总线通信方式的OLED，输入装置为五路开关按键，存储装置为AT24C02芯片，无功耗，用户可通过按键组合和屏幕改变每组控制参数的阈值，并实时查看传感器数据。调整后的阈值存储在AT24C02芯片中，并在系统重新启动后生效。

1.4 无线传输模块

无线传输模块协议为HTTP协议。下载的数据必须包括每个参与者的温度、湿度、光照强度和控制信息。用户可以通过参考客户的网站和数据组来检查温室气体的状态。

公交车驶了过去，夏冰脸上还留着一丝冷笑。他突然站起来，推开窗，把头伸出去，学着电影《泰坦尼克号》中杰克的样子，重重地对着大街吐了一口痰，旁若无人地喊道：“我胡汉三又回来啦！”车内不少人厌恶地看着他，但见他油亮的光头和这一身打扮、这一副表情，猜出他从哪里来，都不约而同地把目光小心地滑开，或专注于窗外的景色——其实什么景色也没有，或与身边的陌生人攀谈起来——仿佛老友相见热情有加，也有闭目养神的——只是，眼皮不动声色地一张一闭，注意力还在夏冰身上。

2 系统的硬件设计

系统控制器采用CS32f103c8t6，最大工作频率72 MHz内置64 KB闪存和丰富的外围资源，选用B1750FVI芯片获取光强，该芯片具有分辨率高、光强变化范围广的优点。土壤湿度采样基于LM393芯片设计。土壤湿度探头的电阻可转换为电压输入。该芯片可用于测量土壤湿度，比较电压可通过电位器调节，并可产生数字量。

温室监控系统包括功率电平稳定器、继电器控制模块、按键输入模块、不同传感器模块、OLED显示模块、网络传输模块、CS32F103控制单元、LED指示模块；每个部分如图2所示连接。

图2 系统硬件组成

根据使用要求，该系统采用低体积、低成本、低功耗的芯片，简化了系统设计，降低了安装和维护成本。

温室系统的目标是更好地检测温室植物的生长因子。如图3所示。

图3 温室系统总体思路及构建示意图

3 系统的程序设计

温室环境监测方案主要包括人机交互方案、物联网数据传输方案、系统控制方案等。

3.1 人机交互程序设计

人机交互程序设计流程如图4所示。人机界面根据功能分为3个屏幕界面：主阈值选择界面和数据显示界面等。

图4 人机交互程序设计流程图

即输入4个阈值参数：湿度、空气温度和光照强度等。按功能键时，系统根据当前界面属性处理键信息，并执行不同的功能。主界面切换到所选阵列的支持阈值设置界面和传感器数据显示屏。在辅助界面中，用户可以通过5个键更改阈值参数，并将其存储在AT24C02芯片上。数据显示屏显示上述4个传感器数据，并通过按键更新信息。

3.2 物联网数据传输程序设计

该对象的网络数据传输是基于esp8266网络平台和中国移动OneNet对象构建的，编程流程如图5所示。

图5 流量设计程序数据网络传输

首先，系统通过USART模块将芯片c32f103c8发送至esp8266模块，完成硬件初始化和WLAN网络接入，然后设计温室监测外部接口，包括web客户端和移动客户端。最后，单网络数据传输系统根据传感器数据和当前设备状态生成数据包，并基于HTTP网络协议将数据包上传到单网络平台。

系统以HTTP协议以post方式将数据流上传到设备云，每个传感器的标识和样本值。为Internet平台上的设备创建程序，查看仪表板接收到的每组数据点和线图，并完成系统Internet界面的创建。

温室环境监测不需要及时进行，在调试阶段，每个周期的数据传输时间为5 s，便于检查传输的数据是否正常，以下应用程序可以延长反应能力。

3.3 系统控制程序设计

当监控系统启动时，收集传感器数据以完成执行器控制。编程过程如图6所示。

图6 系统控制程序设计流程图

预处理后，传感器采集的数据，如土壤湿度、空气温度和光照强度。

系统的总体流程可概括为按键扫描和信息处理、显示界面更新、数据采集和执行控制、数据传输。

4 系统的实验结果

通过电路连接和编程，建立了一个简单的温室模型，在模型中安装了监控系统，完成了程序调试和功能再现。

测试方法：检查人机界面采集的实时数据，通过按键操作改变阈值参数，关闭电源系统重启系统，确定参数是否有效通过环保措施和阈值变化验证指示灯与控制设备的正确运行登录到移动客户端和操作平台，检查数据传输是否正常。

人机交互测试流程如图7所示，阈值选择的主屏幕如图7（a）所示，设置组湿度阈值的辅助界面如图7（b）所示，传感器数据屏幕上的图像如图7（c）所示。测试结束后，数据采集正常。传感器记录和实际测量结果表明，土壤水分测量的准确性不明确，具体见表1。

表1 各项参数检测精度

图7 人机交互测试界面

图8示出了网络传输接口。4个传感器数据记录在界面左侧，包括空气温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度。右侧重新显示了4组控制面板包括：高温警报、风扇、压力水泵和补光开关。测试后，记录设备功能正常，数据传输正常。

图8 温室大棚环境监测网页界面

5 结束语

基于物联网的温室环境监测系统，可以采集温室环境参数，控制植物生长的控制辅助设备，通过网页和移动客户端实现对温室的远程监测，具有成本低、安全可靠等优点，操作方便，该系统可以在多阶段数据监测、远程控制和决策等方面进一步完善和扩展，借助神经网络，为农业活动的智能自动控制创造更好的保障。