智能温室大棚数据采集系统的设计

郑志伟，郭迎九，陈元庆，周 波，刘亚军

（北京城市学院 信息学部，北京 101300）

0 引 言

随着我国农业的快速发展，传统的农业种植已经难以满足现实的需要，农业现代化得到了大范围推广，温室大棚种植已成为新型农业的一个重要组成部分[1-2]。农作物的生长离不开稳定的温室大棚环境，因此需要设计一个能够实时监测温室大棚内环境参数的数据采集系统。本文提出一种智能温室大棚数据采集系统，能够实时监测空气温湿度、土壤温湿度、紫外线强度、CO2浓度数据，且成本低、功耗小，能够及时反映温室大棚内的实际环境情况，并结合实际情况对温室大棚进行施肥、升温、浇水等操作，保持棚内环境，保证农作物在适宜的环境下生长，使温室大棚能够种植出高质量、高产量的绿色蔬菜，提高生产率。

1 硬件电路设计

1.1 系统结构

智能温室大棚的技术架构共分为七层，分别为感知层、传输层、接入层、汇聚交换层、应用层、管理服务层以及用户应用层。感知层为检测大棚参数的各种传感器，传输层分为接入层和汇聚交换层[3-6]。接入层为可接入无线局域网终端，由接入层与感知层构成了本项目感知网络的基本单元；汇聚交换层负责将接入层终端传输信息进行数据分组汇聚、转发、暂时存储与交换，并与云端进行数据传输。应用层分为管理服务层和用户应用层。管理服务层负责通过软件实现感知硬件与应用软件之间的无缝连接，以便进行大量数据的高效汇聚、存储；通过数据挖掘、智能数据处理计算等，为用户应用层提供安全的实时远程管理和智能服务，主要通过大量数据存储和云计算平台支持。用户应用层是面向用户的智能控制端，通过可视化页面为用户提供简单方便的远程管理和智能服务。

1.2 硬件电路设计

采用STM32F407单片机结合DS18B20数字温度传感器、DHT11温湿度传感器、GUVA-S12SA紫外线传感器，实时监测温室大棚内的环境数据。硬件电路的结构如图1所示。

图1 硬件电路结构

1.2.1 数据采集系统的电路设计

数据采集系统主要采集温湿度以及紫外线强度的数据。DS18B20是一种新型的体积小、适用电压宽、与微处理器接口简单的数字化温度传感器，负责空气温度的采集。DHT11是一种数字信号输出的温湿度传感器，它能够确保传感器拥有良好的稳定性和较高的可靠性，负责空气湿度的采集。GUVA-S12SA有特定的光谱响应，特别适合UVI的检测，具有良好的可见盲、光伏模式操作、高响应、低暗电流等特性，负责光照强度的采集。数据采集系统电路如图2所示。

图2 数据采集系统电路

1.2.2 数据采集平台的电路设计

传感器数据采集平台的主要装置是数据采集盒，如图3所示。采集盒上有固定条，将固定条固定到大棚附近有电源的采集点。采集盒右侧是电源和开关，电源采用12 V直流电源，左侧是传感器引线，一般情况下不要人为接触，防止干扰传感器测量；右侧的传感器引线分别接空气温湿度传感器、紫外线传感器。数据采集盒可以对大棚内空气温度和湿度、土壤温湿度、紫外线光照强度（0～15级）等进行测量。

图3 数据采集盒

2 软件设计

2.1 数据查看

数据的查看可以通过直接查看、小程序查看、云平台查看的方式实现，以此获得传感器检测数据。

直接查看：数据采集盒都配置有数据显示屏，可以直接查看传感器数值。

小程序查看：通过扫描小程序二维码直接查看，结果如图4所示。

图4 小程序查看结果

云平台查看：通过在网页输入URL地址查看，结果如图5所示。

图5 云平台查看结果

2.2 监管云平台

平台可以实时采集大棚内的空气温度和湿度、土壤温度和湿度、光照强度等环境参数，并根据农作物的生长需要进行智能预警[7]。该系统能够根据传感器获取的各项信息以及用户录入的化肥、人工等数据进行智能化分析，通过可视化统计图的形式展示给用户，并能进行产品溯源和监管。

种植大棚管理：可以对每个大棚的详细信息进行编辑和修改，包括大棚的名称、所属单位、面积、地理位置、实景图片、信息简介、传感器种类和数量、种植作物等信息。

种植产品管理：可以对大棚中种植产品进行管理，包括产品的查询、新增、删除、详细信息编辑等功能。

投入品使用记录：对大棚生产过程中的各种投入品的数量及成本进行记录，例如水、电、化肥、人工等。

采收管理：可以对产品收获后的产出信息、采收状况、装箱状况进行记录和编辑。

生长过程记录：可以对种植产品在生长周期中各个环节的状况进行记录和编辑。

追溯二维码管理：可以为最终的产品按包装单位生产唯一的溯源二维码，当用户通过手机扫描到二维码时可以追溯该产品的产地、生产日期、基本信息及从种植到成熟过程中的状态信息。

每日数据监测及监控：可以按日查看大棚的详细信息，包括土壤温湿度、电导率、空气温湿度、光照及二氧化碳浓度等，以便更好地指导生产，可以监控整个生产过程。

3 调 试

3.1 前期数据采集实物及信息显示

以单片机STM32F407为主控，得到各个传感器采集出来的数据，通过上位机将数据输出在LCD屏幕上，每100 ms更新一次数据，以此来实时显示最新的数据，并将数据上传到云平台，方便农户随时随地监测大棚内的环境数据。前期调试结果如图6所示，其中的LCD屏幕能够显示温湿度、光照强度等环境数据，并且这些数据会通过WiFi上传到云端。

图6 前期数据采集设备实物及信息显示

3.2 运行测试

把图6所示的硬件全部安装到数据采集盒中，然后将成品安放在大棚内，安装结果如图7所示，随后插上电源，启动运行。

图7 成品落地安装

当大棚内环境发生变化时，整个系统能够检测到环境数据发生变化，其执行工作情况见表1所列。由表1可知，该系统成功地将大棚环境数据检测出来并上传到云端，实现了预期功能。

表1 大棚环境数据

4 结 语

本文通过开发温室大棚智能化数据采集终端，提高了温室大棚的智能化水平，降低了生产成本，提高了生产效率[8-10]。具体方法是对农业大棚进行智能化改造升级，制定智能化管理方案；流程是将智能大棚有关传感器装置装配在大棚中，实时采集数据，并将数据上传至智能控制中心，对采集到的数据进行具体分析，提升智能化管理。项目中使用的传感器主要包括紫外照射传感器、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器等，通过多种传感器采集大棚中的温度、湿度、气体浓度、土壤情况等环境数据，对这些数据进行具体分析后，进行相应处理，如浇水、施肥等。通过测试证明系统达到了智能化、低成本、高效率的设计目标，为进一步推进智慧农业落地提供了可能。