浅谈塞北地区农业大棚温湿度监控系统设计

续剑英，张奥，贾超，侯彦泽

（1.内蒙古工业大学现代教育技术中心，内蒙古 呼和浩特 010010；2.大连市气象服务中心，辽宁 大连 116092）

1 前言

农业大棚是一种人工建造的农业生产设施，在延伸种植季节、保护环境、改善农产品品质、提高农业生产效率和促进科技创新等方面为农业生产带来了许多积极的影响和发展机会。温度对农业大棚具有重要性，它影响着作物的生长与发育、抗逆能力、病虫害控制、资源利用以及生产的稳定性。科学合理地控制温度，将有助于提高农业生产效益、保障粮食安全，促进可持续农业的发展。

从整体来看，尽管我国是温室种植的发源地之一，但在城市化建设逐渐加速的情况下，我国可耕种土地的面积呈逐年减小的趋势。从2004年开始，我国政府连续16年发布了以农业为主题的中央一号文件，而最新的《2030年前碳达峰行动方案》中，国务院提出了强化生产效能的重点设备节能措施，积极推动绿色低碳循环农业的发展，支持设施农业等低碳农业模式。这对于我国正处于由传统的“粗放、低效率的生模式”向“精细农业生产模式”过渡的设施农业，提出了更高的要求。

文本构建了一套以树莓派为主体的农业大棚温度监控系统，该系统在面对棚内温度超出设定阈值时，会触发系统报警机制并驱动棚内设备对环境温度进行调节，使得棚内作物生长保持在适宜的范围内，该系统可以集成能源管理模块，监测和控制温室内的能源消耗。通过合理调控加热器、通风设备等能耗设备的运行时间和功率，系统可以降低能源消耗，提高能源利用效率，实现节能减排的目标，有效提升农业生产效益和可持续发展。

2 系统设计原理

2.1 硬件设计

本文提出的控制系统通过温度传感器实时监测农业大棚内部的温度变化。主控制器（树莓派）会对收集到的数据进行分析和处理，并根据需要自动调整遮阳布、加热器、通风窗等设备的运行状态，以维持理想的环境条件。同时，系统还提供了云平台和终端设备，使操作人员可以直观地查看数据，并进行相应的操作。这样，操作人员可以及时了解农业大棚的温度情况，做出相应的调整，确保作物得到良好的生长环境。整个系统为农业生产提供了便捷和智能化的解决方案（图1）。

图1 温控系统整体框架

在本设计方案中，温控系统的整体框架以中央控制器为核心，中央控制器部分选用了树莓派，通过温度传感器对农业大棚内的环境因子进行实时监测。监测到的数据将传送至树莓派，树莓派会与预设数据进行比较，并根据对比设定阈值的比较结果驱动相应设备，达到对大棚内环境相应的参数进行及时合理调节的目的。

同时，利用通讯模块传递采集参数信息至云平台直观地展示了所检测到的温度数据以及预先设定的温度范围。此外，其历史数据进行分析功能，可提供数据报表和趋势预测，通过手机等终端设备，帮助用户更好地了解大棚环境变化规律和作出相应的调整。这样的设计使得农业大棚内的环境能够达到农作物最适宜生长的标准。该设计的优点在于成本低、效率高，同时也能有效节约资源。温控系统的硬件组成结构如图2所示。

图2 温控系统的硬件组成

2.2 温控模块设计

（1）数据采集模块选型。本设计方案采用了RS485型温湿度变送器来监测农业大棚的温度数据。该设备通过485信号输出数据，具有更高的测量精确度。为了实现与树莓派的通信，我们使用了MAX485芯片来完成485信号的转换，并确保通信的稳定性和可靠性。通过这种设计，我们可以准确地获取农业大棚的温度数据，并将其传输给树莓派进行处理和控制。这样的方案可以保证数据的准确性，并提供稳定可靠的通信连接，以确保系统的正常运行。

MAX485是一款常用于RS-485通讯的芯片，其端口功能如表1所示。

表1 芯片引脚接线

A线和B线为差分信号线，用于RS-485通讯的数据传输；RO（Receiver Output）为接收器输出端口，用于输出经过解调的接收数据信号；DI（Driver Input）为驱动器输入端口，用于输入要发送的数据信号；供电端口VCC连接正极电源，GND连接负极地线。

通过以上端口的合理连接，可实现大棚环境监控系统的数据传输功能。

RS485型温湿度变送器的重要性能指标有：供电电源，设定10～30（DC）；刷新时间，设定1s；检测范围，包含温度（-40～+80℃），湿度（0%RH～100%RH）；信号输出，为RS485。

（2）云端环境配置。智能农业是一种以应用先进技术和创新为解决方案的农业发展模式，旨在提高农业生产效率、降低资源消耗、改善农产品质量，并实现可持续发展。智能农业利用物联网、大数据分析、人工智能等技术，将传感器、自动化设备等应用于农田管理、养殖业和温室种植等领域，实现精确农业管理和优化决策。

本文提出的农业大棚温控系统利用阿里云平台与树莓派进行关联，创建物联网实例并添加设备，在树莓派上配置连接，并通过API上传数据和控制设备，API是一种定义了功能和数据交互规则的接口，为开发者提供了更方便、高级的接口和工具，用于快速构建应用程序。首先将树莓派接入物联网平台，选择Python语言作为树莓派的编译语言，Python 3支持MQTT需要以Paho-MQTT的库的支持为基础，建立物联网平台连接的主要流程如图3所示。

图3 树莓派连接物联网平台的步骤

（3）中央处理器选型。本系统的设计将树莓派3B+作为系统的中央处理器，树莓派3B+采用了Broadcom BCM2837B0 SoC（System on a Chip），内置1.4GHz的64位四核ARM Cortex-A53处理器，性能相较前代有所提升。同时具有40个引脚（GPIO引脚），这些引脚可以用于连接外部设备，拓展树莓派的功能。其中，引脚接口的分配如表2所示。

表2 相关引脚/接口的分配

程序运行成功后，设备将接入阿里云的物联网平台，可以与阿里云物联网平台实现通信。设备每隔10s上报一次自己的数据，并且会响应物联网平台下发的控制指令。

2.3 软件设计

本系统还具备自动控制功能，根据事先设定的阈值，能够智能地控制附加设备，如加热器、灌溉系统和通风设备，以保持理想的环境条件。此外，鉴于塞北地区独特的气候环境，白天不仅可以促进作物的生长还可以实现从太阳能中提取热量，并将其转化为供热，在夜间大棚温度过低时，利用通风机将白天光照储蓄的热量传输至棚内，以维持温室内恒温环境。通过上述结构设计可实现智能控制，满足农业大棚温度需求，并且不会干燥环境，上述结构设计能够提高作物产量和质量，同时具有节能环保的优势。

通过自动化调控这些设备，可以提高作物的生长效率，同时减少资源的浪费。系统会根据传感器监测到的数据进行实时分析和判断，一旦环境参数偏离设定的范围，系统会自动启动或关闭相应的设备，以使环境恢复到理想状态。这种自动控制功能不仅节省了人工操作的时间和精力，还能够确保农业大棚内的环境始终处于最佳状态，促进作物的健康生长。具体内容如下。

（1）系统采集与分析数据流程。温湿度传感器开启后，会按固定频次采集环境当中的温湿度数据，并将其输送给中央处理器树莓派，中央处理器会根据提前编写好的相应的数值信息进行数据处理，依照输入温湿度范围，进行数值判定，当检测到的温湿度数据大于所输入温湿度的范围时，则树莓派发出打开风机和除湿器的执行指令；所检测到的温湿度数据小于所输入温湿度的范围时，则树莓派发出打开热泵装置和灌溉装置的指令。另外设置了内部辅助元件。只有当元件被复位，树莓派才能够确认设备处于所要求的执行状态。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

（2）云端界面设计。本系统以阿里云服务器提供的物联网平台为基础，实现树莓派与物联网云端的对接。然后在云端控制平台进行产品的创建以及设备的添加，最后启动树莓派终端，在paho-mqtt等第三方库的支持下建立硬件设备与云端平台的信息关联。

（3）云平台可视化控件组成。系统装备了一系列传感器，可以监测农业大棚中的关键环境参数，包括温度、湿度、光照、土壤湿度和二氧化碳浓度等。这些传感器通过树莓派设定采样周期进行数据采集，并借助WiFi连接将数据传输到云服务器上。将树莓派传递来的参数信息通过Web界面显示，具体配置信息如图5所示，监控平台可视化界面如图6所示。

图5 云端界面配置

图6 云端设计界面展示

同时，为了方便用户及时获知传感器设备采集到的大棚内部环境信息，以阿里云物联网平台为基础构建移动端应用开发，通过可视化移动应用，用户可以随时使用智能手机或电脑来访问这些数据，随时获知大棚内部信息，从而发挥物联网的功能，移动端可视化界面如图7所示。

图7 移动端可视化界面

3 结语

本文提出了一种基于树莓派的温湿度监控系统，以农业大棚作为应用环境。系统利用树莓派作为中央处理，实现对农业大棚内温湿度的监控。在程序运行过程中，树莓派接收由温湿度传感器检测到的数据，并经过处理和分析后，对棚内的温湿度进行相应调整，确保作物始终处于适宜的环境条件下，保证了农作物质量。同时，系统还建立了硬件设备与阿里云物联网平台的关联，实现了信息的远程监控。借助树莓派强大的计算能力和灵活的GPIO引脚，可以连接各类传感器和执行器，实现更精细化的温湿度控制，系统结合温度感知、设定阈值、报警机制、温度调节、数据记录与分析以及远程监控与控制等功能，将能够有效提升农业生产效益和可持续发展。