基于IoT的智慧大棚系統的開發

摘?要：本文設計了一種通用的溫室智能控制系統，可以實時監測和控制溫室的環境參數，實現對空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、煙霧和火焰等的精確控制。通過WiFi和藍牙無線控制實現安全防盜功能。該系統包括四個子系統：溫度控制系統、智能報警系統、數據采集系統和數據傳輸與處理系統。

關鍵詞：物聯網;智慧大棚;監控系統

隨著農村人口的不斷減少，耕地不足的問題尤為突出。一個新的、現代的智慧溫室的出現是非常必要的。近年來，隨著信息智能化和農業現代化的快速發展，我國溫室種植取得了長足的進步，形成了科學管控溫室環境的理念。但是，由于工廠化管理的缺失，溫室智能控制技術在設施和工業自動化方面還存在不足，與歐洲發達國家相差甚遠。因此，設計一套自動溫室控制系統，能夠實時監測和控制溫室環境參數，大大提高作物產量就顯得尤為重要，從而達到操作簡單、維護方便、通用的效果。

1?系統設計

在自然環境中，植物的生長狀態不易控制，容易受到自然災害的影響，損害植物健康，減少農民收入。該系統基于自然環境，采用耐腐蝕、耐老化、可轉換太陽光譜的塑料薄膜，結合物聯網技術，采用計算機控制系統、高效傳輸系統和現代生物技術打造簡單、高度自動化、智能化的溫室智能控制系統。該系統可以避免植物在自然環境中可能遇到的災害，如蝗災、冰雹、霜凍等，檢測和控制溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、O2濃度、土壤濕度等環境因素等，讓植物的生長狀態可以預測和控制植物的生長過程，解決了以往溫室智能控制系統需要人工控制和檢測的問題，可以獨立檢測問題，反饋錯誤，在某種程度上自動處理問題。

目前國內的溫室大棚在控制和管理方面，國內溫室自動化程度較低。近年來，國內也開展了一些溫室自動控制的研究，但這些研究基本上都是單因素檢測與控制，缺乏全面系統的研究。我們的改進方案是根據相關環境因素數據，結合作物生長發育規律，同時采用藍牙和WiFi兩種傳輸方式，將當前數據反饋給MCU，實現對溫室的控制。同時，我們設置了自動報警裝置，更新了灌溉系統和噴藥系統，進一步實現了溫室智能控制系統的自動化、智能化。

傳統大棚無論任何控制都需要人工操作，耗費大量人力物力?，F在大棚的數量越來越多，所以傳統的大棚系統已經顯示出很大的局限性。與上述相比，該系統充分利用了STC12C5A60S2單片機的軟硬件資源，增加了各種測試電路，實現了真正的智能化。通用物聯網大棚系統主要由傳感器終端、無線傳感器網絡、通信終端、控制終端、監控中心和應用軟件平臺組成，在手機上控制大棚的功能。但是，通用物聯網大棚的價格太貴了，對于農村的普通家庭來說難以承受。同時，通用物聯網大棚只適合種植幾種生長條件相似的作物。與此相比，我們的系統更便宜，是適用于所有作物的通用智能控制溫室系統。該系統投資少，可實現效益最大化。

本智能大棚系統主要包括三部分：主控端——STC12C5A60S2、環境監測部分——各種傳感器和環境調節部分——溫控箱。該系統可以通過WiFi和藍牙無線控制，準確實現空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、煙霧和火焰以及安全防盜等功能。環境中的溫度檢測通過溫度傳感器DS18B20傳輸到單片機。當溫度低于設定溫度時，通過驅動電路升高溫度，驅動繼電器控制加熱電路;當溫度高于設定溫度時，驅動風扇進行換氣，從而降低溫度。環境中的光強由光強傳感器BH1750fvi實時監測，當光強超過預設值時，步進電機轉動，帶動遮光條減弱光強?？諝庵械臐穸扔蒁HT11檢測，并由相應的模塊進行調節。土壤水分傳感器檢測土壤中的水分含量，并驅動相應的電路控制水分含量。防盜系統可在有人非法進入禁區時發出警報，同時火焰傳感器檢測周圍環境是否有火災、煙霧等安全隱患。智能棚系統由傳感器、單片機、顯示器、鍵盤和控制器組成。在A/D轉換模塊中，主要使用集成MCU之外的A/D技術。

目前，國內外溫室控制系統的研發大致可分為三類：分體式多單元溫室系統、單片機控制溫室單元系統、分布式單元系統。這次我們使用單片機來控制溫室單元系統，該控制系統是隨著單片機的發展而出現的。該技術在國內外得到廣泛應用。它充分利用了單片機的優點，如數據傳輸方便、速度快、接口通道配置靈活、性能穩定可靠、價格低廉等，給農業科技帶來了很多便利。同時，在具體的數據保存上，可以保存大量的數據，有利于分析，方便維護和使用，是現代溫室監控系統的標準模型。

在實際應用中，本著操作說明簡單、質優價廉、抗干擾、環境適應性強的原則，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機。此單片機是鴻晶科技生產的單時鐘/機器周期（1t）單片機，是新一代高速、低功耗、抗干擾能力強的8051單片機。它的指令碼與傳統8051完全兼容，但速度提高了8～12倍。同時其內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/s）。單片機實物如圖1所示：

本設計使用的開發環境是IAR?for?8051V8.10，用于編寫程序。SmartRF?Flash?Program是用戶的SmartRF?Flash編程手冊。閃存編程器可以用來編程閃存。對于IEEE802.15.4兼容設備（如CC2530）和藍牙（R）低功耗設備（如CC2540），Flash編程器支持讀寫IEEE?MAC地址。包嗅探器是一種軟件工具，它幫助維護、故障檢測和微調局域網和廣域網。該工具觀察網段的流量，學習掌握網絡配置，解碼協議，提交統計數據，自動識別許多常見的網絡問題，并能生成管理報告。

本系統方案的設計思想是以CC2530協調器為核心控制器，接收多個節點采集的傳感器數據，協調器對數據進行處理，控制電機執行相應動作，數據通過串口傳輸到PC機進行顯示。

2?系統實現

2.1?CO傳感器模塊

該系統采用的CO傳感器為MQ9氣體傳感器，所用的氣敏材料為二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導率。采用高低溫循環檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路，可以將電導率的變化轉換為對應于氣體濃度的輸出信號。MQ9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷和液化氣具有較高的靈敏度，可檢測多種一氧化碳氣體和易燃性氣體，它是一種適用于許多應用的低成本傳感器。

2.2?溫度檢測模塊

對于溫室智能控制系統來說，溫度檢測非常重要。溫度傳感器用于采集周圍環境的環境因素，讀出溫度數據，然后通過信號處理功能，讓外設做出相應的響應，將溫度數據無線傳輸至顯示器，如圖2所示。當溫度高于預設溫度時，MCU驅動繼電器控制風扇轉動以降低溫度。當溫度低于預設溫度時，MCU驅動繼電器控制集熱器的加熱。

2.3?濕度檢測模塊

濕度檢測主要是空氣濕度和土壤濕度的檢測，通過控制繼電器控制水泵電機進行相應的調整。溫濕度傳感器檢測空氣中的溫度和濕度。當濕度低于我們設定的濕度值時，系統會自動執行命令并進行相應的灌溉操作。當濕度達到標準值時，我們的噴頭會自動停止灌溉。當濕度過高時，根據主控制器的設定指令，做出相應指令，通過繼電器控制加熱管加熱，提高我們的內部溫度，達到正常的溫濕度狀態。當達到正常溫度和濕度時，加熱管將停止工作。

2.4?土壤溫濕度檢測模塊

土壤溫度傳感器，不僅外形美觀、結構緊湊，而且安裝更換方便，具有耐腐蝕性好、性能穩定、響應速度快、功耗低、抗干擾能力強等特點。土壤濕度傳感器利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中的傳播頻率，測量土壤的表觀介電常數，從而獲得土壤濕度。FDR具有簡單、安全、快速準確、連續定點、自動化、量程廣、校準量少等優點。

2.5?空氣溫濕度模塊

主要利用的是DHT11濕度檢測傳感器，DHT11數字溫/濕度傳感器是一種含有已校正的數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器分別內置了一個電阻式濕度測量元件和負溫度系數熱敏電阻器溫度測量元件，它可以與高性能的8位單片機相連接。由于該傳感器采用的串行接口遵循單線制規范，從而使得系統的集成過程變得簡單快捷。此外，該傳感器還具備超小的體積、極低的功耗、超快的響應、較強的抗干擾能力等優點，其信號傳輸距離可以超過20米，所以是各類應用場合的合理選擇。

2.6?自動灌溉模塊

本系統可以通過在軟件中設定默認的正常濕度的上下限值。當室內濕度低于設定的下限時，啟動水泵，將水輸送到地下管道，直接潤濕土壤，達到灌溉的效果。同時檢查濕度是否上升到上下限濕度的中間值以上，如果符合要求，停止輸送;如果不滿足要求，繼續循環該過程，直到達到正常濕度范圍。

2.7?光照控制模塊

遮光控制功能：當光照度比較強時，將主控端通過室外氣象站系統采集的高靈敏度光值與主控端設定的控制目標進行比較。如果低于主控端設定的目標值，外部拉簾會自動擴光、照明。如果高于主控端子設定的目標值，外簾會自動折疊。也可由控制器定時遮光，或由工作人員通過控制器操作。

補光控制功能：主控端通過室內數據采集器回傳高靈敏度的光值，并設定目標值進行比較，如果高于設定的目標值，則自動關閉補光。如果低于設定值，則自動開啟補光燈。

2.8?顯示部分模塊

大棚智能控制系統需要隨時顯示溫度、光強、濕度等信息，以方便調試和管理。USART串口屏已成為棚內智能控制系統的最佳選擇，該顯示屏可以快速準確地處理，使農民、專業技術人員可以快速準確地分析和處理數據。

2.9?信號處理調節部分

為了體現系統的實用性，達到預期的效果，我們使用模型硬件來實現相應的功能。例如，繼電器控制風機達到通風的效果，驅動加熱管升溫，驅動噴頭工作，調節溫室內的相關參數等;步進電機控制自動門控制溫室內溫度;光傳感器檢測室內光強，送入單片機控制熒光燈，達到補充光強的效果。采用ADC0809芯片實現A/D轉換信號的采集，從而實現精確控制。采用藍牙和WiFi進行無線傳輸，具有傳輸速度高、安全性高、保真度高、覆蓋廣等特點。藍牙用于短距離傳輸，WiFi負責將數據傳輸到網絡進行存儲。

結語

該系統基于單片機技術的溫室環境管理控制設計。首先，我們查閱了大量相關的溫室大棚的設計，分析了解了它們的優缺點，并制訂了相應的大棚管理系統方案。然后參考各種硬件的參數資料，通過編程實現各硬件的相應功能，實現了操作簡單、通用型、維護方便、參數控制誤差小、通用化的智能操作系統。其次，系統采用超高速高分辨率ADC芯片進行信號采集。本系統利用STC12C5A60S2靈活地控制信息存儲、采集、處理、管理和運行一體化，形成完整的智能控制平臺。最后，采用模塊化編程的方法，將整個系統分成幾個小系統，一個一個實現，再將它們組合起來，形成一個完整的智慧溫室大棚控制系統，實現一個便捷的掌控系統。該開發平臺結構緊湊、功能齊全且成本低。它使用USART串口屏幕顯示實時數據，因此具有良好的一鍵通人機界面，非常適合未來的普及，也將為農民帶來更加便捷的服務。本智慧溫室大棚在任何季節、各種地理環境都將高度實現農作物的種植。這種設計還充分結合了以往的研究成果和創新成果，將科技應用于特定場合，具有較高的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]李敏.基于物聯網的監控系統研究與應用[D].長江大學，2016.

[2]包子建.基于IoT的污染監測系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019（6）.

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[4]包子建.基于IoT的智能車系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2020（8）.

作者簡介：包子建（1975—?），男，江蘇南通人，碩士，高級工程師，主要從事物聯網和信息服務方面的教學和研究。