基于APP技术的农业大棚环境调控设计

2023-06-17杨媛钫

物联网技术 2023年6期

杨媛钫

（湖南中烟工业有限责任公司常德卷烟厂，湖南常德 415000）

0 引言

农业经营模式的转型已经成为现代农业发展的一种趋势，基于物联网技术的现代化农业能够有效地节省人力物力，提高农作物的产量和质量。利用传感器检测、WiFi 无线通信、手机APP 开发等技术[1-3]，设计一个基于APP 技术的农业大棚环境调控系统，使用APP 实时监控农业大棚内的环境参数，并对其参数历史数据实现实时查询、图形化统计等功能，同时能够设置各个参数的阈值，当实际值不在阈值范围内时，APP 将进行语音报警，直至参数恢复至阈值范围内，报警停止。

1 系统结构

基于APP 技术的农业大棚环境调控系统由现场终端和APP 调控两部分组成[4]，系统结构如图1所示。现场终端包括STM32F103RCT6 最小应用系统、环境监测模块、LoRa无线组网模块、WiFi 无线通信模块、输出调控模块以及人机接口模块等。各传感器完成农业大棚内温度、湿度以及光照强度等环境参数的采集，并且数据会显示在OLED 屏上；通过LoRa 无线组网进行数据的节点传输，通过WiFi 无线通信模块将数据上传至服务器的数据库以及手机APP 中，若环境参数偏离，可自动/手动控制输出调控系统。APP 调控由服务器端和APP 端构成，APP 端基于HTTP 协议，利用Post/Get 请求方法，连接服务器的IP 地址和API 端口，从服务器的数据库中获取数据，当服务器接收到手机APP 端发送的控制或者设置阈值指令，则通过WiFi 无线通信模块将指令下发，远程无线操控农业大棚内的调控系统。

图1 系统结构框图

2 终端硬件

系统终端硬件电路如图2所示。STM32F103RCT6 基本应用系统中包括电源接口、复位电路、时钟电路、SWD 程序下载电路和程序引导电路。无线通信电路由WiFi 接口电路和LoRa 接口电路组成，其WiFi 模块采用ESP8266[5]，它是一款串口转无线模块芯片，用于上传数据。LoRa 模块选用ATK-LORA-V1.5 芯片，由终端节点、中继节点和网关节点组成无线传感网，进行数据的节点传输，两者都是使用串口与微处理器进行数据交互。环境监测电路由温湿度检测电路和光照度检测电路组成，温湿度检测电路采用DHT11温湿度传感器，其内部包括两个关键的检测元件，即NTC测温元件和电阻式感湿元件。该传感器是单总线结构，只需要使用一根数据线与微处理器进行数据交互和控制。光照度检测电路采用GY-30 光照强度传感器，其主控芯片为BH1750FV1，内部由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集和晶振等组成，通过I2C 协议与微处理器进行通信[6]。输出调控电路包括照明系统电路、灌溉系统电路以及环境控制系统电路，分别对光照度、土壤湿度、空气温湿度等进行调节。显示电路采用OLED 12864 显示屏模块，用于对传感器节点采集的温度、湿度、光照度等环境参数进行实时显示。

图2 终端硬件电路

3 终端程序

终端主程序包括系统初始化、LoRa 组网、WiFi 连接服务器、环境监测、输出调控、上传数据以及OLED 显示，其流程如图3所示。

图3 程序流程

系统初始化包括I/O 口初始化、中断初始化、定时器初始化、串口初始化、I2C 初始化、SPI 初始化和OLED 初始化；LoRa 组网是利用串口中断函数，通过判定标志位状态进行节点收发数据；WiFi 模块先连接热点，然后连接服务器程序，与服务器进行数据交互；环境监测是调用温湿度检测函数和光照度检测函数，对温湿度数据和光照度数据进行采集；输出调控是利用照明系统控制函数、灌溉系统控制函数、环境控制系统函数，对农业大棚内的控制设备进行控制；上传数据是以TCP/IP 协议作为数据传输协议[7]，将各传感器采集的数据通过WiFi 模块上传至服务器端；OLED 显示是将检测到的各个环境参数实时显示到OLED 屏上。

4 APP 软件

APP 软件功能包括用户登录、远程监控、系统设置、存储数据、查询历史数据以及语音报警等模块，其系统程序流程如图4所示。

图4 APP 程序流程

设置IP 地址和端口号模块是将局域网分配的地址和端口号存入APP 程序中。

用户登录模块是APP 连接服务器的URL 登录端口，请求参数包括username 和password，账号和密码是在服务器注册的账号和密码，请求参数以及响应值是根据传输协议决定的，数据传输格式使用JSON 格式[8]，若输入的账号、密码不正确，则APP 会弹出消息框，提示“账号或密码错误”；输入正确，APP 则进入远程监控界面。

远程监控模块用于实时显示各个环境参数，在该模块界面中，包含对输出调控系统的控制按钮、查询历史数据按钮以及设置阈值按钮等。

若点击控制按钮，APP 则向服务器发送规定好的控制数据，将此数据作为请求参数，服务器再将数据实时发送给终端，终端进行相应的控制操作，以达到APP 对环境参数的调控功能。点击自动控制按钮，将控制模式设置为自动控制，这样终端可根据APP 设置的阈值与传感器采集的数据进行比较，输出调控系统做出相应调节动作。

若点击设置阈值按钮，APP 则进入设置阈值界面，该模块是向服务器接收数据的API 端口发送数据，请求参数为各类参数的上下限值。点击上传按钮之后，设置的阈值被上传至服务器，并且远程监控界面上的三种阈值显示框中的数字将得到更新，若接收到的实测值不在阈值范围内，则APP 将自动进行语音报警，直至实测值恢复至阈值内，语音报警停止。

历史数据查询分为3 种：第一种是折线统计图查看，APP 将接收的数据存入开源数据库LitePal 中，折线图组件把数据库中数据取出，作为图形数据点，形成折线形状，历史数据呈图形化显示出来，可以清晰地看出环境参数的变化曲线[9-10]；第二种是传感器类型查询，输入需要查询的环境参数名称，APP 界面跳转至该环境参数历史数据显示界面，可以看到所有采集的数据以及数据产生时间；第三种是时间查询，调用服务器提供的时间查询历史数据的API 端口，请求参数为开始时间start 和结束时间end，从服务器获取这段时间内的所有数据，显示在相应的表格界面，时间输入格式如2022-03-12 13：12：12，当然也可以通过年月日查询，而无须精确到时分秒。

5 系统调试

5.1 终端硬件调试

终端工作时，OLED 显示屏依次显示光照度、温度、湿度的实时检测值。通过人为改变环境，如改变GY-30 传感器的光照使光照度值变大或变小，对着DHT11 模块吹气以增大湿度值，将终端装置置于冷空气中来降低温度，等等。通过上述操作可以证明环境监测单元能及时监测环境变化；同时环境参数改变时，OLED 显示屏的显示值将相应更新。

在APP 设置参数阈值后，终端可进行自动控制。当光照度低于下限值时，照明系统开启二级光照；当光照度在阈值范围内时，照明系统开启一级光照；当光照度高于上限值时，照明系统不工作。当土壤湿度和空气温湿度不在阈值范围内时，灌溉系统和环境控制系统执行相应的开启或者关闭动作。实验中采用发光二极管模拟。

5.2 APP 调试

APP 操作界面分别是设置端口界面、登录界面、数据监控界面、设置阈值界面、数据查询界面、数据表格界面、图形显示界面和时间查询界面等。

在APP 的设置端口界面连接局域网分配的IP 地址和端口，返回登录界面输入账号和密码，进入数据监控界面，说明APP 与服务器连接成功，如图5所示。在该界面可以查看温度、湿度、光照度等环境参数的实时检测值，这些检测值与终端部分的OLED 显示屏上显示值相同，既说明终端和服务器的连接是成功的，也说明APP 端可以实时接收传感器节点采集的农业大棚环境参数，数据解析正确。

图5 数据监控界面

点击数据监控界面中的设置阈值按钮，跳转至设置阈值界面。在该界面可以上传环境参数阈值，当实时监测值不在设置的阈值范围内时，APP 发出语音报警，说明阈值上传成功。手机APP 可以对终端进行无线远程监控；数据监控界面有5 个控制按钮，点击按钮，可以分别对终端进行相应控制；若点击自动控制按键，终端则根据实时检测值与阈值的比较，做出相应控制动作。

点击数据监控界面中的查询数据按钮，跳转至数据查询界面。在该界面点击温度、湿度或者光照强度，将跳转至相应的数据表格界面，此界面中记录了该环境参数所有数据，以及数据产生时间；点击图形统计按钮，可以查看各个环境参数的历史数据折线图或者柱状图，温度折线图如图6所示；点击时间查询按钮，跳转至时间查询界面，在两个输入框内依次输入需要查询的开始时间和结束时间，点击搜索按键，服务器将根据上传的起始时间，向APP 返回该段时间内的环境参数的所有数据以及每个数据产生的时间。