基于Qt的农业大棚自动监控系统设计

2023-01-16潘瑞娟陈晓宁黄石原季宏强

安徽大学学报（自然科学版） 2023年1期

潘瑞娟，陈晓宁，黄石原，季宏强

(安徽大学电气工程与自动化学院，安徽合肥 230601)

随着科技的发展，农业智能化已成趋势[1-4].通过农业大数据及自动控制，可有效控制农作物生长环境，使农作物在适宜环境中发育.Qt是Qt Company 开发的跨平台 C+ + 图形用户界面应用程序开发框架.文献[5]基于Qt设计了大棚温湿度监控系统，使用了串口通信，但未实现远距离实时监测.文献[6]基于Qt设计了红外传感监测系统，但未实现农业大棚环境的反馈控制.文献[7]基于单片机设计了水产养殖的水质监控系统，但不能对数据进行大量存储.该文设计农业辣椒大棚自动监控系统，基于GPRS(general packet radio service)及UDP(user datagram protocol)将数据传送至MySQL(my structured query language)数据库，实时监控调整大棚环境数据，使辣椒处于最佳的生长环境.

1 系统框架

该文设计的基于Qt的农业辣椒大棚自动监控系统包括以下3个子系统：采集存储、反馈控制及数据显示.采集存储子系统基于GPRS(general packet radio service)及UDP(user datagram protocol)，将前端设备采集到的数据包，传送至MySQL(my structured query language)数据库.反馈控制子系统能调控风机风速、光照度、温度、窗户开合等.数据显示子系统能实时显示温度、湿度、光照度、气压、CO2浓度、风速及风向等数据，且具有图像显示和导出功能.图1为监测系统框架.

图1 监测系统框架

2 采集存储

2.1 通信协议的选择

TCP(transmission control protocol)可对数据进行传输控制，可靠性强.UDP协议占用资源小，处理速度快[8-9].在农业大棚采集到的温度、湿度、光照度、气压、CO2浓度、风速及风向等数据，通过UDP打包发送，能大幅提升数据的传输速率，更快地控制大棚环境.

2.2 数据处理

建立STM32微控制器与RS485接口的数据通信，基于GPRS网络及UDP将采集到的大棚辣椒数据发送至数据终端.大气温度、大气湿度、气压、风速、土壤湿度、土壤温度、pH、光照度、CO2浓度、风向和EC(electrical conductivity)等数据为十六进制，需对其进行十进制转化.上位机对数据进行处理的步骤如下：

(1)判断是否为32个字节、分别以0x55 0x55和0xAA 0xAA开头和结尾.

(2)通过十进制转化得到实际数值.

(3)分类管理，存入数据库对应表格.

3 反馈控制

通过反馈控制可对农业大棚中控制辣椒生长的不同设备进行统一管理.监控系统发送的指令，通过UDP传至服务器，服务器进行接收和转发，相关设备对风机风速、光照度、温度、窗户开合等进行调控.反馈控制分为手动控制和自动控制，以增强实用性.

(1)手动控制.使用者根据现场农业大棚环境，下发相应指令.手动控制流程如图2所示.

图2 手动控制流程图

(2)自动控制.在控制页面设有自动控制按钮，设备会根据采集到的实时数据自动反馈控制.当监测到大棚的温度、湿度、光照度、气压、CO2浓度、风速及风向等数据异常时，系统自动发送数据指令，对风机风速、光照度、温度、窗户开合等数据进行必要的调控.自动控制流程如图3所示.

图3 自动控制流程图

4 数据显示

目前，多数界面开发者使用WPF(windows presentation foundation)界面框架，采用C#编程语言进行开发[10]，其不足之处为不支持跨平台操作.将Qt Creator[11-12]作为开发环境，Qt Creator不依赖虚拟机、完全面向对象、操作简便高效.界面的模块化能降低软件使用的复杂性，为测试、调试、维护等工作提供方便.界面分为数据查询模块、图像显示模块和反馈控制模块.

4.1 数据查询模块

在.Pro文件中添加QT+= sql，通过类QSqlDatabase[13]连接MySQL数据库.输入主机名、端口号、用户名和密码，即可查询数据.该辣椒大棚设置3个站点，每个站点设置4个监测点.该文辣椒大棚夏季8月的环境数据查询结果如图4所示.

图4 大棚夏季8月的环境数据查询结果

在项目.Pro文件中添加QT+= axcontainer，在.cpp文件中设置行高及标题.获取TableView的数据信息后，便可导出数据对应的Excel表格.直观的Excel表格，改善了用户体验.

4.2 图像显示模块

通过C++类绘图构件QCustomPlot[14]能有效显示实时数据图像.辣椒大棚夏季8月温度、湿度、EC以及pH随时间变化的情况如图5所示.

图5 大棚夏季8月温度、湿度、EC以及pH随时间变化的情况

4.3 反馈控制模块

系统有手动及自动控制2个模式.不对控制界面进行操作时，系统不发生指令，大棚设备处于待机状态.当点击进入自动控制模式时，监控系统根据设定的阈值发送相应指令，对大棚相关数据进行调控.必要时，也可在界面主页对风机风速、光照度等进行手动控制.

5 系统测试

为了验证辣椒大棚自动监控系统的准确性，对2号站点的1号监测点的2021年8月某时刻的数据进行实际测量.通过辣椒大棚里的温湿度表、光照度测量仪和CO2浓度测量仪读取实际测量数据.表1为监控系统记录数据与实际测量数据.

表1 监控系统记录数据与实际测量数据

由表1可知，辣椒大棚的温度误差范围为[-0.3%，+0.3%]，湿度误差范围为[-0.5%，+0.5%]，CO2浓度误差范围为[-0.7%，+0.7%]，光照误差范围为[-1%，+1%]，可见监控系统的测量数据准确度高.

1～2月是辣椒最佳育苗期，此段时间的温度为15～30 ℃，湿度为50%～75%.若在8月播种辣椒，此时的湿热环境不是最佳的辣椒育苗环境，但可通过监控系统控制温湿度，使辣椒在适宜环境中发育.对监控系统进行如下设置：当大棚温度在22～29 ℃、湿度在50%～75%时，监控系统不发送指令；当温湿度低于22 ℃或高于29 ℃，湿度低于50%或高于75%时,系统发送相应指令,通过相关设备进行调控.表2，3分别为不同温度、湿度下监控系统自动控制的结果.

表2 不同温度下监控系统自动控制的结果

表3 不同湿度下监控系统自动控制的结果

由表2，3可知，在温湿度过低情况下，风机能自动关闭，喷灌设备及窗户自动打开，灯光调强；在温湿度的设定范围内，风机能调至低速挡，喷灌设备及窗户自动关闭，灯光调弱；在温湿度过高情况下，风机能调至高速挡，喷灌设备及窗户自动打开，灯光关闭.可见，在不同温湿度下，监控系统能使辣椒大棚的温湿度处于设定的范围，在反季节里辣椒也能在适宜的环境中生长.