潘瑞娟，陳曉寧，黃石原，季宏強

(安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230601)

隨著科技的發(fā)展，農業(yè)智能化已成趨勢[1-4].通過農業(yè)大數(shù)據(jù)及自動控制，可有效控制農作物生長環(huán)境，使農作物在適宜環(huán)境中發(fā)育.Qt是Qt Company 開發(fā)的跨平臺 C+ + 圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架.文獻[5]基于Qt設計了大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，使用了串口通信，但未實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測.文獻[6]基于Qt設計了紅外傳感監(jiān)測系統(tǒng)，但未實現(xiàn)農業(yè)大棚環(huán)境的反饋控制.文獻[7]基于單片機設計了水產養(yǎng)殖的水質監(jiān)控系統(tǒng)，但不能對數(shù)據(jù)進行大量存儲.該文設計農業(yè)辣椒大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)，基于GPRS(general packet radio service)及UDP(user datagram protocol)將數(shù)據(jù)傳送至MySQL(my structured query language)數(shù)據(jù)庫，實時監(jiān)控調整大棚環(huán)境數(shù)據(jù)，使辣椒處于最佳的生長環(huán)境.

1 系統(tǒng)框架

該文設計的基于Qt的農業(yè)辣椒大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)包括以下3個子系統(tǒng)：采集存儲、反饋控制及數(shù)據(jù)顯示.采集存儲子系統(tǒng)基于GPRS(general packet radio service)及UDP(user datagram protocol)，將前端設備采集到的數(shù)據(jù)包，傳送至MySQL(my structured query language)數(shù)據(jù)庫.反饋控制子系統(tǒng)能調控風機風速、光照度、溫度、窗戶開合等.數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)能實時顯示溫度、濕度、光照度、氣壓、CO2濃度、風速及風向等數(shù)據(jù)，且具有圖像顯示和導出功能.圖1為監(jiān)測系統(tǒng)框架.

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)框架

2 采集存儲

2.1 通信協(xié)議的選擇

TCP(transmission control protocol)可對數(shù)據(jù)進行傳輸控制，可靠性強.UDP協(xié)議占用資源小，處理速度快[8-9].在農業(yè)大棚采集到的溫度、濕度、光照度、氣壓、CO2濃度、風速及風向等數(shù)據(jù)，通過UDP打包發(fā)送，能大幅提升數(shù)據(jù)的傳輸速率，更快地控制大棚環(huán)境.

2.2 數(shù)據(jù)處理

建立STM32微控制器與RS485接口的數(shù)據(jù)通信，基于GPRS網絡及UDP將采集到的大棚辣椒數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)終端.大氣溫度、大氣濕度、氣壓、風速、土壤濕度、土壤溫度、pH、光照度、CO2濃度、風向和EC(electrical conductivity)等數(shù)據(jù)為十六進制，需對其進行十進制轉化.上位機對數(shù)據(jù)進行處理的步驟如下：

(1)判斷是否為32個字節(jié)、分別以0x55 0x55和0xAA 0xAA開頭和結尾.

(2)通過十進制轉化得到實際數(shù)值.

(3)分類管理，存入數(shù)據(jù)庫對應表格.

3 反饋控制

通過反饋控制可對農業(yè)大棚中控制辣椒生長的不同設備進行統(tǒng)一管理.監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的指令，通過UDP傳至服務器，服務器進行接收和轉發(fā)，相關設備對風機風速、光照度、溫度、窗戶開合等進行調控.反饋控制分為手動控制和自動控制，以增強實用性.

(1)手動控制.使用者根據(jù)現(xiàn)場農業(yè)大棚環(huán)境，下發(fā)相應指令.手動控制流程如圖2所示.

圖2 手動控制流程圖

(2)自動控制.在控制頁面設有自動控制按鈕，設備會根據(jù)采集到的實時數(shù)據(jù)自動反饋控制.當監(jiān)測到大棚的溫度、濕度、光照度、氣壓、CO2濃度、風速及風向等數(shù)據(jù)異常時，系統(tǒng)自動發(fā)送數(shù)據(jù)指令，對風機風速、光照度、溫度、窗戶開合等數(shù)據(jù)進行必要的調控.自動控制流程如圖3所示.

圖3 自動控制流程圖

4 數(shù)據(jù)顯示

目前，多數(shù)界面開發(fā)者使用WPF(windows presentation foundation)界面框架，采用C#編程語言進行開發(fā)[10]，其不足之處為不支持跨平臺操作.將Qt Creator[11-12]作為開發(fā)環(huán)境，Qt Creator不依賴虛擬機、完全面向對象、操作簡便高效.界面的模塊化能降低軟件使用的復雜性，為測試、調試、維護等工作提供方便.界面分為數(shù)據(jù)查詢模塊、圖像顯示模塊和反饋控制模塊.

4.1 數(shù)據(jù)查詢模塊

在.Pro文件中添加QT+= sql，通過類QSqlDatabase[13]連接MySQL數(shù)據(jù)庫.輸入主機名、端口號、用戶名和密碼，即可查詢數(shù)據(jù).該辣椒大棚設置3個站點，每個站點設置4個監(jiān)測點.該文辣椒大棚夏季8月的環(huán)境數(shù)據(jù)查詢結果如圖4所示.

圖4 大棚夏季8月的環(huán)境數(shù)據(jù)查詢結果

在項目.Pro文件中添加QT+= axcontainer，在.cpp文件中設置行高及標題.獲取TableView的數(shù)據(jù)信息后，便可導出數(shù)據(jù)對應的Excel表格.直觀的Excel表格，改善了用戶體驗.

4.2 圖像顯示模塊

通過C++類繪圖構件QCustomPlot[14]能有效顯示實時數(shù)據(jù)圖像.辣椒大棚夏季8月溫度、濕度、EC以及pH隨時間變化的情況如圖5所示.

圖5 大棚夏季8月溫度、濕度、EC以及pH隨時間變化的情況

4.3 反饋控制模塊

系統(tǒng)有手動及自動控制2個模式.不對控制界面進行操作時，系統(tǒng)不發(fā)生指令，大棚設備處于待機狀態(tài).當點擊進入自動控制模式時，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設定的閾值發(fā)送相應指令，對大棚相關數(shù)據(jù)進行調控.必要時，也可在界面主頁對風機風速、光照度等進行手動控制.

5 系統(tǒng)測試

為了驗證辣椒大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)的準確性，對2號站點的1號監(jiān)測點的2021年8月某時刻的數(shù)據(jù)進行實際測量.通過辣椒大棚里的溫濕度表、光照度測量儀和CO2濃度測量儀讀取實際測量數(shù)據(jù).表1為監(jiān)控系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù).

表1 監(jiān)控系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)

由表1可知，辣椒大棚的溫度誤差范圍為[-0.3%，+0.3%]，濕度誤差范圍為[-0.5%，+0.5%]，CO2濃度誤差范圍為[-0.7%，+0.7%]，光照誤差范圍為[-1%，+1%]，可見監(jiān)控系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)準確度高.

1～2月是辣椒最佳育苗期，此段時間的溫度為15～30 ℃，濕度為50%～75%.若在8月播種辣椒，此時的濕熱環(huán)境不是最佳的辣椒育苗環(huán)境，但可通過監(jiān)控系統(tǒng)控制溫濕度，使辣椒在適宜環(huán)境中發(fā)育.對監(jiān)控系統(tǒng)進行如下設置：當大棚溫度在22～29 ℃、濕度在50%～75%時，監(jiān)控系統(tǒng)不發(fā)送指令；當溫濕度低于22 ℃或高于29 ℃，濕度低于50%或高于75%時,系統(tǒng)發(fā)送相應指令,通過相關設備進行調控.表2，3分別為不同溫度、濕度下監(jiān)控系統(tǒng)自動控制的結果.

表2 不同溫度下監(jiān)控系統(tǒng)自動控制的結果

表3 不同濕度下監(jiān)控系統(tǒng)自動控制的結果

由表2，3可知，在溫濕度過低情況下，風機能自動關閉，噴灌設備及窗戶自動打開，燈光調強；在溫濕度的設定范圍內，風機能調至低速擋，噴灌設備及窗戶自動關閉，燈光調弱；在溫濕度過高情況下，風機能調至高速擋，噴灌設備及窗戶自動打開，燈光關閉.可見，在不同溫濕度下，監(jiān)控系統(tǒng)能使辣椒大棚的溫濕度處于設定的范圍，在反季節(jié)里辣椒也能在適宜的環(huán)境中生長.

6 結束語

該文設計的基于Qt的農業(yè)辣椒大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)，能準確測量環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的數(shù)據(jù)范圍進行自動調節(jié)，在濕熱夏季也能營造出適宜辣椒發(fā)育的類春季氣候環(huán)境，滿足了智慧農業(yè)的需求.該自動監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高、操作簡單，已成功應用于安徽省潁上縣的大棚果蔬種植基地.