鄧 輝 李 燁

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510555；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州 510000）

隨著5G 技術(shù)的推廣，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，隨即出現(xiàn)了大批傳統(tǒng)行業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的新興行業(yè)，例如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智慧工廠和智慧城市等，其中精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志是應(yīng)用自動(dòng)控制和電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化。該文提出了一種基于STM32F407 單片機(jī)的智能溫室大棚系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可滿足用戶的溫室大棚種植需求，幫助用戶實(shí)現(xiàn)足不出戶對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并遠(yuǎn)程控制灌溉、抽風(fēng)和補(bǔ)光等操作。

1 系統(tǒng)功能

該智能溫室大棚系統(tǒng)可幫助用戶監(jiān)控溫室環(huán)境信息，還可以遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制農(nóng)作物在溫室環(huán)境中生長(zhǎng)所需要的溫度、光照和土壤濕度等。該智能溫室大棚系統(tǒng)包括5個(gè)功能模塊，分別如下：1）智能溫控模塊?？筛鶕?jù)溫濕度傳感器模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，繼而判斷溫室大棚內(nèi)的溫濕度狀況。如果溫度太高，則打開抽風(fēng)機(jī)；溫度太低，則關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)。2）智能光照強(qiáng)度控制模塊?？衫霉饷綦娮璨杉瘮?shù)據(jù)判斷當(dāng)前的光照強(qiáng)度。如果光照強(qiáng)度太低，則開啟補(bǔ)光燈；如果光照強(qiáng)度太強(qiáng)，則進(jìn)行遮陽并關(guān)閉補(bǔ)光燈。3）智能灌溉模塊。利用土壤濕度傳感器采集數(shù)據(jù)以判斷是否缺水，并通過執(zhí)行器進(jìn)行合理灌溉。4）大棚內(nèi)顯示模塊。通過OLED 顯示當(dāng)前環(huán)境信息。5）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及可視化顯示模塊。智能溫室大棚中采集的所有數(shù)據(jù)都可以通過Wi-Fi 發(fā)送到客戶端，在客戶端進(jìn)行直觀可視化展示，并遠(yuǎn)程控制各模塊操作。

該系統(tǒng)對(duì)灌溉、抽風(fēng)和補(bǔ)光等操作進(jìn)行自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。在自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置有不同植物在各個(gè)生長(zhǎng)階段的灌溉、抽風(fēng)和補(bǔ)光等參數(shù)，并基于采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行灌溉、抽風(fēng)和補(bǔ)光等操作。在手動(dòng)控制模式下，用戶基于各種傳感器采集的數(shù)據(jù)手動(dòng)控制灌溉、抽風(fēng)和補(bǔ)光等操作。該系統(tǒng)能夠通過采集大棚內(nèi)溫濕度、光照和雨量等數(shù)據(jù)，并且基于植物在不同階段生長(zhǎng)的適宜環(huán)境，對(duì)溫室大棚內(nèi)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度等因素進(jìn)行采集，并上傳到數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，智能判斷該環(huán)境數(shù)據(jù)是否適宜，以保證大棚內(nèi)種植物能在最適的環(huán)境下生長(zhǎng)。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，通過傳感器、單片機(jī)獲取環(huán)境信息，各項(xiàng)信息可通過OLED 在本地顯示，還能通過Wi-Fi 模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化操作。同時(shí)通過云平臺(tái)下發(fā)指令控制執(zhí)行器，進(jìn)行補(bǔ)光、灌溉及抽風(fēng)等操作，還可以通過比較采集的信息與閾值自動(dòng)控制執(zhí)行器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件分為溫控模塊、光控模塊、灌溉模塊、OLED 模塊以及可視化模塊。

2.1 溫控模塊

溫控模塊原理如下：首先，設(shè)置閾值為T1、T2，其中T1>T2，閾值T1、T2的設(shè)置與植物種類及生長(zhǎng)周期相關(guān)。傳感器采集當(dāng)前溫度信息T3，并將T3與T1比較，如果T1T3>T2。

該系統(tǒng)采用型號(hào)為DHT11 的傳感器檢測(cè)空氣中的溫、濕度，該傳感器具有響應(yīng)塊、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其為包括已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫、濕度復(fù)合傳感器[1]。DHT11溫濕度傳感器的相關(guān)介紹見表1，該傳感器主要有3 個(gè)引腳，VCC 接電源3.3V，GND 接地，DATA 接單片機(jī)I/O 口。

表1 DHT11 電氣參數(shù)

2.2 光控模塊

光控模塊原理如下：設(shè)置2 個(gè)閾值G1和G2，G1為高閾值，G2為低閾值，閾值的設(shè)置與植物種類及生長(zhǎng)周期等相關(guān)。當(dāng)前光照強(qiáng)度信息為G3，采集當(dāng)前光照強(qiáng)度信息G3與G1、G2比較，如果G3G1同時(shí)T3>T1，則認(rèn)為光強(qiáng)過高、溫度過高，需要關(guān)閉窗簾，以確保大棚內(nèi)光照適宜。

該系統(tǒng)利用光敏傳感器采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。光敏電阻模塊對(duì)環(huán)境光線較敏感，一般用來檢測(cè)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出高電平；當(dāng)外界環(huán)境光線亮度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出低電平。光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的電阻器，其工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。其在無光照的情況下，幾乎呈高阻狀態(tài)，暗電阻很大[2]。光敏電阻模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 光敏電阻模塊電路圖

2.3 灌溉模塊

灌溉模塊原理如下：設(shè)置閾值S1，該閾值的設(shè)置與植物種類及生長(zhǎng)周期相關(guān)。采集當(dāng)前土壤濕度信息S2與S1比較，如果S2

該系統(tǒng)采用土壤濕度模塊FC-28 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。它通過2 個(gè)電極檢測(cè)土壤的導(dǎo)電性，通過輸出模擬量獲取比較精確的土壤濕度數(shù)據(jù)，以判斷是否缺水。如果缺水，則啟動(dòng)水泵進(jìn)行適當(dāng)灌溉。土壤濕度傳感器內(nèi)部電路與光敏電阻傳感器模塊大致相同，可以大范圍檢測(cè)土壤的濕度。通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，DO 引腳輸出高電平；高于設(shè)定值時(shí)，DO 引腳輸出低電平。模擬量輸出口AO 可以和單片機(jī)AD 模塊相連，通過AD 轉(zhuǎn)換可以獲得土壤濕度的準(zhǔn)確數(shù)值[3]。

2.4 OLED 模塊和可視化模塊

OLED 模塊置于溫室大棚中，用于實(shí)時(shí)顯示大棚中的環(huán)境信息，方便用戶在大棚中觀察數(shù)據(jù)信息。OLED 模塊的顯示芯片為SSH1106?？梢暬K主要是將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息通過Wi-Fi 發(fā)送到客戶端中進(jìn)行記錄并處理，并以可視化的形式呈現(xiàn)，便于查看。該系統(tǒng)選用ESP-01S 模塊作為Wi-Fi 模塊，采用32bit/80MHz 精簡(jiǎn)指令集處理器，具有完備的TCP/IP 棧，可通過AT 指令方便快捷地進(jìn)行TCP/IP 連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先初始化各種硬件設(shè)備。當(dāng)Wi-Fi 模塊初始化完成后，判斷是否成功聯(lián)網(wǎng)，如果沒有成功聯(lián)網(wǎng)，則重連網(wǎng)絡(luò)；成功聯(lián)網(wǎng)后，采集傳感器將采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸至執(zhí)行器及OneNET 平臺(tái)。并且系統(tǒng)還可連接OneNET 的EDP 服務(wù)器，完成客戶端配置，配置信息包括服務(wù)器的地址、名稱和端口號(hào)。所有配置完成后，系統(tǒng)連接EDP 服務(wù)器。連接成功后，設(shè)備已經(jīng)具有向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，最終通過執(zhí)行器控制智能溫室大棚系統(tǒng)的各種設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)采集環(huán)境的數(shù)據(jù)包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度以及土壤濕度等，通過Wi-Fi 模塊發(fā)送到OneNET 的服務(wù)器，并在客戶端顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)智能判斷溫濕度狀況、光照強(qiáng)度狀況和土壤濕度狀況。如果溫度過高，則打開風(fēng)扇；溫度過低，則關(guān)閉風(fēng)扇，并打開加熱器。判斷光照強(qiáng)度，如果光照強(qiáng)度過低，則打開補(bǔ)光燈；光照強(qiáng)度太強(qiáng)，則關(guān)閉補(bǔ)光燈并進(jìn)行遮陽。如果土壤濕度傳感器判斷為缺水，則通過繼電器控制水泵進(jìn)行灌溉?？傊?，系統(tǒng)通過各種傳感器采集農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，通過OLED 本地顯示，并通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)遠(yuǎn)程顯示溫室大棚信息，判斷當(dāng)前環(huán)境是否適合植物生長(zhǎng)。可以通過手動(dòng)和自動(dòng)2 種方式控制執(zhí)行器來改善溫室大棚中植物的生長(zhǎng)環(huán)境。

4 執(zhí)行器程序設(shè)計(jì)

執(zhí)行器主要作用包括控制LED 補(bǔ)光燈，并通過繼電器控制灌溉水泵、散熱風(fēng)扇、加熱器和遮擋窗簾。執(zhí)行器程序流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)運(yùn)行開始后先初始化設(shè)備，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)模式，判斷是自動(dòng)還是手動(dòng)。選擇自動(dòng)模式時(shí)，則判斷采集的數(shù)據(jù)是否超出閾值并使執(zhí)行器自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)操作；選擇手動(dòng)模式時(shí)，則手動(dòng)控制執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)操作，同時(shí)將執(zhí)行器狀態(tài)上傳至云端。

圖4 執(zhí)行器程序流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果

5.1 遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控模塊測(cè)試

OneNET 平臺(tái)界面顯示如圖5 所示，采用OneNET 中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)進(jìn)行界面顯示，用戶可以遠(yuǎn)程查看溫室大棚的環(huán)境，包括土壤濕度、空氣溫濕度和光照強(qiáng)度等信息，做到足不出戶對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，時(shí)刻掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息，還可通過手動(dòng)遠(yuǎn)程控制執(zhí)行器，并同時(shí)查看執(zhí)行器狀態(tài)。

圖5 OneNET 平臺(tái)界面顯示

5.2 手動(dòng)控制執(zhí)行器測(cè)試

測(cè)試條件：通過控制操作界面上的執(zhí)行器開關(guān)查看系統(tǒng)中各個(gè)執(zhí)行器的狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2。如在操作界面點(diǎn)擊LED 按鈕后，LED 被點(diǎn)亮，OneNET 平臺(tái)上的按鈕開關(guān)顯示開啟狀態(tài)，點(diǎn)擊關(guān)閉，LED 滅，開關(guān)狀態(tài)顯示關(guān)閉。

表2 執(zhí)行器狀態(tài)測(cè)試記錄

6 結(jié)語

該文提出了一款基于STM32F407的智能溫室大棚系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括PC 端的上位機(jī)客戶端和基于STM32F407 的數(shù)據(jù)采集端。系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)溫室大棚空氣濕度功能、控制大棚光照強(qiáng)度功能、采集土壤濕度功能以及自動(dòng)灌溉功能，OLED 可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前大棚環(huán)境信息，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在遠(yuǎn)程端可進(jìn)行可視化直觀展示，使該文研究的智能溫室大棚系統(tǒng)具有成本低、安全性高且性能穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。