基于物聯網技術的設施農業環境監控系統設計

田 莉，左 恒,2，郝雯娟，王志凌

（1.南京航空航天大學金城學院 機電工程與自動化學院，江蘇 南京 211156；2.江蘇思行達信息技術有限公司，江蘇 南京 210049；3.金陵科技學院 機電工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

設施農業是指在環境相對可控的條件下，人為改變自然光照及溫濕度等條件，優化動植物生長的環境因子，使之能夠全天候生長的設施工程，具有高投入、高產出以及資金、技術、勞動力密集的特點[1]。通過引入物聯網技術能夠提高植物生長環境的可控性，實現精確高效控制，節約人力并提高蔬菜生產效益。

物聯網從技術結構上可分為信息感知層、網絡傳輸層、應用服務層[2]。信息感知層通過各種傳感器感知作物生長所需的環境數據，如環境溫度、相對濕度、土壤養分等物理量參數；網絡傳輸層的作用是把現場局域網和互聯網相融合，將現場信息實時準確地傳遞到數據中心；應用服務層通過個人計算機或移動終端的應用程序實現對系統信息的監視和管理。

針對信息感知層，李立揚等[3]基于ZigBee 技術構建了大棚內的無線傳感網絡；汪言康等[4]基于LoRa 技術構成了無線傳感網絡，具有功耗低、擴展性好等優點，但在節點較多且傳輸數據量大時會出現組網復雜、傳輸速率慢且數據不穩定等問題。韓毅[5]采用有線數據采集和傳輸方式設計了以PLC 為核心的現場控制系統，雖然系統穩定且可靠性高，但造價高昂，不適用于利潤率低的農業。文獻[6-8]設計了以STM32 單片機或樹莓派為主控制器的溫室大棚智能監控系統。由于國外技術壟斷，國內經常面臨芯片缺貨且價格不斷上漲的局面。本研究采用性能優異、價格低廉的國產ESP32控制器以有線方式完成傳感器數據的采集。

數據要從本地局域網接入互聯網才能實現遠程查看，文獻[9-11]采用了GPRS 等基于移動運營商基站的無線接入方式，該方式適用于有手機信號覆蓋的地方，但是需要消耗流量費，而且還需要相應通信模塊的支持。本研究利用ESP32控制器本身的WiFi 功能將農業物聯網的本地數據上傳至WiFi 路由器，不需消耗運營商流量，手機和筆記本電腦等移動終端可方便地通過WiFi 接入系統。

針對應用服務層，文獻[12-13]自行開發通信協議并部署服務器，在電腦端實現遠程監控，增加了設計和使用難度。本研究利用阿里云平臺提供的接入標準和應用模板進行設計，構建了一套基于阿里云平臺的環境監控系統，并在手機APP 上實現了數據的遠程查看和對系統的遠程控制，降低了開發成本和使用難度，提高了產品使用的便捷性。

1 系統的總體設計

環境監控系統由生態仿真箱、阿里云服務器和監控設備組成，系統結構如圖1 所示。生態仿真箱內布置空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器和溫濕度控制設備，通過WiFi將采集的數據經路由器上傳至阿里云服務器；云服務器基于MQTT 協議接收、解析并存儲數據，將現場端的數據整合為方便監測和學習的智能數據模型，再通過MQTT 協議下發到終端。監控側的授權用戶可通過網頁、APP 或小程序實現對數據的查看、參數設置以及遠程控制。

圖1 環境監控系統結構

2 硬件設計

硬件系統由電源電路、ESP32 最小系統電路、數據采集電路、控制電路等組成。ESP32 單片機作為控制核心，連接空氣和土壤溫濕度傳感器以及土壤加熱片、水泵、空氣加濕器、半導體制冷片等設備，采集電路感知環境數據，并利用ESP32 模塊的WiFi 功能將環境數據上傳至云服務器?？刂齐娐穼Ρ仍撝参镒钸m宜的溫濕度環境，并通過PID 算法對大棚內的土壤和空氣進行恒溫恒濕控制。系統硬件電路連接如圖2 所示。

圖2 系統硬件電路連接圖

2.1 ESP32 主控芯片及其WiFi 通信功能

ESP32 控制器是一款基于Xtensa 內核的32 位CPU，運算能力高達600 MIPS。內部集成了WiFi 以及用于Internet連接的完整TCP/IP 協議棧。ESP32 片上集成了SPI、I2C 和USART 等通信接口，方便對AHT10 溫濕度傳感器等器件的數據進行采集。自帶模數轉換功能，相應的GPIO 引腳可直接接入模擬信號。

ESP32 控制器本身具備WiFi 通信功能，它可以被配置成AP、AP+STA 以及STA 三種模式。AP 模式又稱為接入點模式，在這種模式下ESP32 模塊發出WiFi 信號，手機或其他終端可以通過該WiFi 信號與ESP32 模塊通信。此種模式下無法訪問互聯網，用于給ESP32 配置網絡連接信息，或者OTA 升級使用。AP+STA 模式又叫混合模式，此模式下ESP32 既可以連接路由器發出的WiFi 信號，又可自己發出WiFi 信號給其他設備進行連接。該模式可用來實現WiFi 中繼功能，或者直接掃描附近的WiFi 信號實現WiFi 配網功能。STA 模式又稱為WiFi 客戶端模式，此模式下ESP32 模塊作為終端模塊，通過當前環境中的WiFi 信號與互聯網進行連接。ESP32 的配網流程如圖3 所示。

圖3 ESP32 的配網流程

2.2 土壤溫濕度檢測模塊

DS18B20 數字溫度傳感器采用1-Wire 協議與微處理器通過一條口線進行雙向通信，具有多點組網功能。由于每個DS18B20 硬件中有唯一的地址序列碼，就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20 進行多點測溫的目的。在使用DS18B20 時要接入一個4.7 Ω 的上拉電阻。將傳感器用不銹鋼封裝后就可用于農業大棚測溫。

土壤濕度測量采用一種電阻式土壤濕度傳感器。土壤中水份含量的多少會引起阻值的變化，從而改變內部電路中電阻分壓的大小，將此電壓模擬量傳到ESP32，從而測量土壤的含水量。由于ESP32 的IO32 ～IO39 引腳可以接模擬量輸入，所以本系統的土壤濕度傳感器的輸出連接ESP32 的IO35引腳。

2.3 土壤溫濕度控制

將電子開關和加熱板連接，對電子開關施加PWM 脈沖，對土壤進行溫度控制。由于電子開關內部的MOS 管本身存在一定的寄生電容，導致開關時存在一定的延時，所以PWM 的控制頻率不能太高，否則會導致模塊發熱嚴重。實測該模塊在頻率為1 kHz 的PWM 脈沖控制下運行良好。

使用水泵加濕土壤，由電子開關對水泵進行控制，當土壤當前濕度低于設定的濕度值時，啟動水泵電機，當濕度即將達到設定值時降低水泵出水速度，直到達到設定值。

2.4 空氣溫濕度檢測

采用AHT10 傳感器測量空氣的溫濕度，該傳感器能直接輸出經溫度補償后的濕度、溫度等信息，溫度測量范圍為-40 ～85 ℃，精度為±0.3 ℃；濕度測量范圍為0 ～100%RH，精度為±2%RH（25 ℃），與控制器之間采用I2C 通信協議。

2.5 空氣溫度和濕度控制

采用超聲波加濕器模塊控制生態仿真箱中的空氣濕度，該模塊可以將5 V 直流電轉換成高壓高頻交流電，使霧化片產生高頻震動，達到使水霧化進而增加空氣濕度的效果。該模塊默認使用點觸按鈕進行打開和關閉，設計中將模塊的點觸開關部分用導線直接導通，同時在其電源處連接一個型號為SS8050 的貼片三極管，這樣即可使用單片機IO 口的高低電平來控制加濕器模塊的打開或關閉。

使用半導體制冷片控制生態仿真箱中的溫度，優點是沒有滑動部件，無需壓縮機和冷媒，可應用在空間受限、可靠性要求高、不能受到制冷劑污染的場合。半導體制冷片的原理是利用一對P 形半導體和N 形半導體在通直流電時產生的“珀爾帖效應”，由直流電源提供電子流所需的能量，通上電源后，電子從負極（-）出發，首先經過P 型半導體，在此處吸收熱量，到了N 型半導體，又將熱量放出，每經過一個NP 模塊，就有熱量由一邊被送到另外一邊，將N 型半導體所在的陶瓷片貼于生態仿真箱的外壁，可以達到給生態仿真箱制冷的效果。當給該模塊加載反向直流電源時，它將會變成一個制熱模塊，從而對生態仿真箱內部進行加熱。系統需要根據仿真箱內的實際溫度情況實時切換制冷或加熱效果，故使用TA6586 直流電機驅動芯片，通過該芯片內置的H 橋電路實現電源方向的切換。

3 軟件設計

系統軟件設計部分主要包括數據采集和控制、WiFi 配網、MQTT 協議和云服務器設計三部分。

3.1 數據采集和控制部分軟件設計

軟件設計流程如圖4 所示。在主程序中采用定時中斷的方式，采集數據并與設定閾值比較；根據比較結果，采取相應的控制措施。

圖4 數據采集和控制部分軟件設計流程

編寫代碼時首先引用ESP32 的SDK 中I2C 庫文件和1-Wire 庫文件，結合傳感器模塊提供的第三方庫文件，配置對應的引腳及時鐘、中斷等信息，完成傳感器的初始化，進行土壤和空氣的溫濕度信號的采集，并將其解析為可識別的數據；其次，判斷當前檢測數據是否超過設定值的閾值；最后根據誤差的大小和方向采用分段式PID 算法改變PWM 信號的占空比，以達到恒溫恒濕的控制目的。

3.2 WiFi 配網

調用WiFiManager 中的庫函數實現WiFi 配網功能。當ESP32 模塊啟動時，先檢查閃存中是否存在WiFi 配置信息，如果存在則連接；若連接失敗或者找不到連接信息，便打開ESP32 的AP+STA 模式。此時ESP32 會發出設定名稱的WiFi 信號，可以使用手機連接該WiFi 并打開配網界面，此時可以看到ESP32 當前掃描到的WiFi 信號。選擇目標WiFi 信號，輸入正確密碼后ESP32 便可實現聯網功能。

3.3 MQTT 協議和云服務器設計

消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport, MQTT）是一個基于客戶端服務器架構、面向發布/訂閱模型的物聯網消息傳輸協議[14]。它的兩個主要功能是發布信息（PUBLISH）和訂閱主題（SUBSCRIBE）。當發布者發布信息后，訂閱者可以收到該用戶發布的動態信息。

在阿里云平臺中創建一個物體模型，生成一個專屬于該設備的三元組（PRODUCT_KEY，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET），將該設備的三元組關聯至ESP32 的代碼中便可以使該設備上線，物聯網生態仿真箱的溫濕度數據就可上傳至云端；再通過阿里云平臺轉發后，可以在官方的云智能APP 訂閱添加該設備，從而實現遠程查看數據和實時控制功能，如圖5 所示。

圖5 MQTT 訂閱和發布流程

在初始化函數中添加回調函數傳入客戶端和設備信息之后，利用AliyunIoTSDK 庫的bindData 回調函數實現MQTT的數據訂閱功能；用send 函數實現MQTT 的數據發布功能。

4 系統測試與運行結果

4.1 上位機PC 端調試

使用VSCode+PlatformIO 插件搭建Arduino 開發環境；基于CH340 芯片的TTL 轉USB 功能，實現ESP32 模塊與計算機的串口通信。調試設備時，使用串口打印函數Serial.println（）輸出需要調試的參數。本地數據采集調試界面如圖6 所示。在手機APP 中設置溫濕度給定值后，云智能APP 通過MQTT 協議將數據發布至云端服務器，由于“生態仿真箱”這個對象訂閱了該主題，所以會收到該信息，并通過分段PID 算法產生控制量輸出，達到恒溫恒濕效果。在串口調試的過程中，可以測試設備是否正常工作，并對PID算法及參數進行優化。

圖6 本地數據串口調試

4.2 運行結果

生態仿真箱模擬真實植物生長環境，由亞克力板拼接而成，實物如圖7（a）所示。

圖7 系統軟硬件運行結果

打開手機上的“云智能APP”，通過創建設備時使用的賬號登錄，通過掃描二維碼的方式添加設備“生態仿真箱”，設備信息界面如圖7（b）所示。界面中能顯示溫濕度當前值，也能通過“+”和“-”調整溫濕度設定值。

圖8 是監控系統連續24 h 監測空氣溫度、濕度以及土壤溫度、濕度的數據曲線。通過曲線可以看出，監控系統工作穩定，曲線平滑無斷點，短時間內數據沒有大的跳動，對比發現數據符合生態仿真箱的實際運行情況。

圖8 監控系統監測的溫濕度數據曲線

5 結 語

針對溫室大棚等設施農業應用過程中存在勞動力需求大、作物生長環境參數控制不精準的問題，設計了基于物聯網的作物環境遠程監控系統，將ESP32 硬件平臺和手機端通過MQTT 通信協議連接MQTT 云服務器之后，數據在二者之間推送，實現了本地數據可以上傳到遠端，手機端也能對ESP 硬件平臺的控制設備進行遠程控制，從而達到足不出戶就能使作物生長處于恒溫恒濕的環境。在一個生態仿真箱內，進行了實物搭建和程序驗證，實驗結果表明該系統能使作物生長環境中的空氣和土壤達到恒溫恒濕的效果，且系統數據采集準確、通信可靠、成本低廉、操作方便。在當前物聯網技術使用成本和技術門檻較高，普遍應用于農業生產尚需要一個過程的背景下，探索物聯網技術在設施農業中的應用符合當前農業規?；?、產業化、信息化的發展道路。