基于QtCreator的农业大棚远程自动监控系统设计

摘 "要：为使农作物生长在最适宜的环境中，结合物联网技术与Qt Creator开发环境，设计一款农业大棚远程自动监控系统。系统由数据采集存储、视频监控、数据显示及反馈控制4部分组成。部署在大棚内的传感器实时采集大棚内的环境数据，采用单片机作为主控，并通过WIFI将大棚的测控系统与Qt Creator结合起来。同时，系统支持自动和手动2种控制模式，用户可以通过Qt Creator界面查看大棚环境的实时数据，并对大棚内的补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行操控。通过测试可得，Qt Creator显示温度与大棚实际温度的相对误差分布于-0.44%～0.43%之间，Qt Creator显示湿度与大棚实际湿度的相对误差分布于-1.52%～2.13%之间；在各环境数据异常情况下，相关设备均能自动关闭和打开。表明系统具有较高的控制精度且自动控制实时性高，能够实现农业大棚的远程监测和控制。

关键词：物联网技术；Qt Creator；单片机；智慧农业；自动监控；视频监控

中图分类号：TP27 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2096-9902（2024）08-0001-04

Abstract： In order to make crops grow in the most suitable environment， a remote automatic monitoring system for agricultural greenhouses is designed by combining the Internet of Things （IoT） technology and Qt Creator development environment. The system consists of four parts： data acquisition and storage， video monitoring， data display and feedback control. The sensors deployed in the greenhouse collect the environmental data in the greenhouse in real time， use the microcontroller as the main control， and combine the measurement and control system of the greenhouse with Qt Creator through WIFI. At the same time， the system supports two control modes： automatic and manual. Users can view the real-time data of the environment in the greenhouse through the Qt Creator interface and manipulate the fill light， cooling fan， spray switch， ventilation fan and other equipment in the greenhouse. Through the test， it can be obtained that， the relative error between the Qt Creator display temperature and the actual temperature of the greenhouse is distributed between -0.44% and 0.43%， and the relative error between the Qt Creator display humidity and the actual humidity of the greenhouse is distributed between -1.52% and 2.13%; in the case of abnormalities of each environmental data， the relevant equipment can be automatically turned off and on. It shows that the system has high control precision and high real-time automatic control， and can realize remote monitoring and control of agricultural greenhouses.

Keywords： internet of things technology； Qt Creator； microcontroller； wisdom agriculture； automatic monitoring； video monitoring

2024年是我国“十四五”规划关键一年，2024年中央一号文件指出，要强化科技和改革双轮驱动。要求强化科技支撑，优化农业科技创新战略布局，支持重大创新平台建设[1]。如今随着自动控制技术的不断进步，物联网和人工智能技术的不断发展，温室大棚的智能控制在我国进行广泛的研究，我国的智慧农业技术不断成熟[2]。

传统农业的生产环境受自然环境的影响，而现代的智慧农业可以控制大棚内的环境，使农作物生长在最适宜的环境中[3]。温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数对于农作物的生长影响较大，传统的大棚环境参数需要人利用仪器设备进行实地监测，通过人工操控大棚内设备来调整大棚内的环境，这不仅不能保证大棚内的参数一直处于恒定区域，也大大增加人力物力的投入[4]。对于白天和夜晚温湿度差异较大的北方地区，为了使大棚环境参数处于一个恒定状态，设计一种大棚环境自动监控系统具有重要的意义。

1 "系统整体框架

基于Qt Creator的农业大棚自动监控系统包括数据采集存储、视频监控、数据显示及反馈控制4个子系统。采集存储子系统将前端各类传感器采集到的数据传送至MySQL数据库存储。视频监控子系统通过摄像头对大棚内的情况进行实时监控。数据显示子系统能在Qt Creator界面实时显示温度、湿度、光照强度和CO2浓度等数据，同时实时显示大棚内的视频数据。反馈控制子系统通过手动和自动2种模式控制降温风扇、喷洒开关、补光灯和换气风扇等设备来调节大棚内温度、湿度、光照强度及CO2浓度等参数。监控系统功能框架如图1所示。

图1 "监控系统功能框架

2 "数据采集存储

本系统采用HDC1080温湿度传感器、MH-SenSor-Series光照强度传感器、MQ-2二氧化碳浓度传感器采集农业大棚内的温度、湿度、光照强度及CO2浓度，并将数据传送给STM32F103单片机[5]。单片机与传感器以及摄像头的连接电路如图2所示。

2.1 "通信协议选择

TCP（Transmission Control Protocol）协议提供IP环境下的数据可靠传输，其提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送[6]。而UDP（User Datagram Protocol）则不为IP提供可靠性、流控或差错恢复功能。农业大棚采集到的温度、湿度、光照强度和CO2浓度等数据，通过TCP打包发送，能可靠地进行大棚数据的传输，更精准地控制大棚环境[7]。

2.2 "数据处理

2.2.1 "下位机与单片机通信

该系统应用ESP32-CAM的WIFI模块实现无线传输，该模块的功能是将串口或TTL电平，转为符合WIFI无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议栈。将采集到的大棚数据发送至数据终端。温度、湿度、光照强度和CO2浓度等数据为十六进制，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。

2.2.2 "单片机与上位机通信

单片机与Qt Creator连接时，Qt Creator发送的是字符串，而且单片机串口中断服务函数的机制是每条数据的帧尾必须是0x0d 0x0a，这条数据则可视为有效数据，方可被单片机接收，因此发送的每条数据除了需要把字符串转换为十六进制以外，还需要在数据增加单片机标志帧尾。

3 "视频监控

视频监控采用ESP32-CAM摄像头，工作时电源供电为5 V和2 A。GPIO32管脚控制摄像头电源，当摄像头工作时，GPIO32拉低。IO0连接摄像头的XCLK。UOR连接单片机的PA9（TX）接口，UOT连接单片机的PA10（RX）接口。ESP32-CAM模块进行视频采集时的具体程序流程如图3所示。

图3 "视频采集流程图

4 "反馈控制

通过反馈控制可对农业大棚中的不同设备进行统一管理。监控系统发送的指令，通过TCP传至单片机，进而对补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行调控。反馈控制分为手动控制和自动控制，支持PC端的远程访问。控制模块具体功能如下。

1）补光灯控制。针对植物光合作用需要的光照，通过对现场的补光灯进行控制。当监测到棚内的光照强度低于预设值时，可以远程手动或自动打开补光灯，增强棚内光照强度，促进农作物的光合作用。

2）喷洒开关控制。当大棚内的空气湿度小于预设值时，系统能够手动或自动启动喷洒开关对大棚内空气进行加湿，当湿度达到预设值后停止加湿。

3）降温风扇控制。当监测到大棚内的温度高于预设值时，系统可以远程手动或自动开启降温风扇， 以降低大棚内的温度，当温度达到预设值后关闭装置。

4）换气风扇控制。当大棚内二氧化碳浓度低于阈值时，系统能够手动或自动启动换气风扇，直到二氧化碳浓度到达合适值时，停止运行。

5）PC端控制。在PC端可以对农业大棚内各类现场设备控制操作，并能够将采集到的农作物生产环境信息和视频，实时返回到用户PC端，方便用户查看，实时管理棚内农作物生产。

6）手动控制。使用者根据农业大棚环境，手动控制大棚内的补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备。手动控制流程如图4所示。

7）自动控制。当监测到大棚的温度、湿度、光照强度及CO2浓度等数据异常时，系统自动发送指令，对补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行必要的调控。自动控制流程如图5所示。

5 "数据显示

Qt Creator不依赖虚拟机、完全面向对象、操作简单高效，故将Qt Creator作为显示界面，为开发、测试、维护等工作提供了便利[8]。系统显示界面分为视频显示、数据监测、反馈控制3个模块。

1）视频显示。使用ESP32-CAM摄像头拍摄大棚内的实时画面，并通过WIFI传输到终端，Qt Creator界面显示大棚内的实时视频状况。

2）数据监测。数据监测模块包括大棚内空气温度、湿度的具体数值以及光照强度、CO2浓度的具体状态，Qt Creator的显示界面如图6所示。

图6 "Qt Creator显示界面

3）反馈控制。在Qt Creator界面设计了手动和自动模式选择功能，在PC端可远程进行模式选择并实施控制。同时显示补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇4种设备当前所处的状态和远程控制各设备的开关按键。

6 "系统测试

为了验证农业大棚自动监控系统的准确性，对系统进行测试。将大棚内环境数据采集传感器与单片机主控芯片连接在一起， 通过WIFI将数据编帧传输给上位机；系统采用Qt Creator编写上位机软件，提供了便捷的人机交互界面，用可视化界面显示大棚内部的温湿度数据。逐步提高大棚实际温湿度，监测系统界面显示温湿度，如图7所示。

由图7可知，随着大棚内实际温湿度的提高，Qt Creator界面显示的温湿度也逐步提高，且界面显示的温湿度以大棚实际温湿度为中心进行上下摆动，且温度相对误差分布于-0.44%～0.43%之间，湿度相对误差分布于-1.52%～2.13%之间，表明系统具有较高的控制精度。

对监控系统进行如下设置：当大棚温度在22～29 ℃、湿度在50％～75％、光照强度显示正常、CO2浓度显示正常时，监控系统不发送指令；当温度低于22 ℃或高于29℃、湿度低于50％或高于75％、光照强度偏低或偏高、CO2浓度偏低或偏高时，系统发送相应指令，通过相关设备进行调控。不同环境参数下系统自动控制的结果见表1。

由表1可知，在温度、湿度、光照强度和CO2浓度异常情况下，降温风扇、喷洒开关、补光灯和换气扇均能自动关闭和自动打开。可见，在不同温湿度、光照强度和CO2浓度下，监控系统能使农业大棚内的农作物生长在适宜的环境中。

7 "结论

本文通过设计基于Qt Creator的农业大棚远程监控系统，具体实现了物联网与实际应用的联系，其表现为用户可以通过Qt Creator显示界面远程查看农业大棚的相关环境数据以及实现远程控制大棚内的相关设备，这是实现智慧农业非常关键的一步，对提升农业生产效益，促进农业现代化，提升农田生态环境都有着十分重要的意义。

参考文献：

[1] 姜长云.2024年中央一号文件的突出亮点[J].农村金融研究，2024（2）：3-13.

[2] 张帅，刘金林.“互联网+”背景下我国智慧农业的发展问题与策略[J].农业经济，2023（11）：7-10.

[3] DHANARAJU M， CHENNIAPPAN P， RAMALINGAM K， et al. Smart Farming： Internet of Things （IoT）-Based Sustainable Agriculture[J]. Agriculture， 2022， 12（10）：1745.

[4] 武海华，黄灿.物联网技术对智慧农业的影响及应用[J].中国农业资源与区划，2023，44（8）：9，20.

[5] 吕爱华.基于单片机技术的大棚远程温控系统应用[J].农机化研究，2023，45（6）：208-212.

[6] 包虹璐.网络通信中嵌入式TCP_IP协议单片机技术运用分析[J].科技资讯，2023，21（18）：48-51.

[7] 李会民，颜明会，任红彬，等.基于UDP协议实现数据安全、高效传输的方法研究[J].北华航天工业学院学报，2022，32（6）：8-10.

[8] 孔祥雪，王万宁，孙艺，等.基于QGIS和QT Creator的应急制图自动化研究[J].科技创新与应用，2022，12（5）：24-26.