摘 "要：為使農(nóng)作物生長(zhǎng)在最適宜的環(huán)境中，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與Qt Creator開(kāi)發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)一款農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示及反饋控制4部分組成。部署在大棚內(nèi)的傳感器實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，采用單片機(jī)作為主控，并通過(guò)WIFI將大棚的測(cè)控系統(tǒng)與Qt Creator結(jié)合起來(lái)。同時(shí)，系統(tǒng)支持自動(dòng)和手動(dòng)2種控制模式，用戶可以通過(guò)Qt Creator界面查看大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)大棚內(nèi)的補(bǔ)光燈、降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)和換氣風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行操控。通過(guò)測(cè)試可得，Qt Creator顯示溫度與大棚實(shí)際溫度的相對(duì)誤差分布于-0.44%～0.43%之間，Qt Creator顯示濕度與大棚實(shí)際濕度的相對(duì)誤差分布于-1.52%～2.13%之間；在各環(huán)境數(shù)據(jù)異常情況下，相關(guān)設(shè)備均能自動(dòng)關(guān)閉和打開(kāi)。表明系統(tǒng)具有較高的控制精度且自動(dòng)控制實(shí)時(shí)性高，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Qt Creator；單片機(jī)；智慧農(nóng)業(yè)；自動(dòng)監(jiān)控；視頻監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP27 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：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年是我國(guó)“十四五”規(guī)劃關(guān)鍵一年，2024年中央一號(hào)文件指出，要強(qiáng)化科技和改革雙輪驅(qū)動(dòng)。要求強(qiáng)化科技支撐，優(yōu)化農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新戰(zhàn)略布局，支持重大創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)[1]。如今隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚的智能控制在我國(guó)進(jìn)行廣泛的研究，我國(guó)的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)不斷成熟[2]。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境受自然環(huán)境的影響，而現(xiàn)代的智慧農(nóng)業(yè)可以控制大棚內(nèi)的環(huán)境，使農(nóng)作物生長(zhǎng)在最適宜的環(huán)境中[3]。溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等參數(shù)對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)影響較大，傳統(tǒng)的大棚環(huán)境參數(shù)需要人利用儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，通過(guò)人工操控大棚內(nèi)設(shè)備來(lái)調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境，這不僅不能保證大棚內(nèi)的參數(shù)一直處于恒定區(qū)域，也大大增加人力物力的投入[4]。對(duì)于白天和夜晚溫濕度差異較大的北方地區(qū)，為了使大棚環(huán)境參數(shù)處于一個(gè)恒定狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種大棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義。

1 "系統(tǒng)整體框架

基于Qt Creator的農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示及反饋控制4個(gè)子系統(tǒng)。采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)將前端各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)攝像頭對(duì)大棚內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)能在Qt Creator界面實(shí)時(shí)顯示溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示大棚內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)。反饋控制子系統(tǒng)通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)2種模式控制降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)、補(bǔ)光燈和換氣風(fēng)扇等設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度等參數(shù)。監(jiān)控系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

圖1 "監(jiān)控系統(tǒng)功能框架

2 "數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)

本系統(tǒng)采用HDC1080溫濕度傳感器、MH-SenSor-Series光照強(qiáng)度傳感器、MQ-2二氧化碳濃度傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度，并將數(shù)據(jù)傳送給STM32F103單片機(jī)[5]。單片機(jī)與傳感器以及攝像頭的連接電路如圖2所示。

2.1 "通信協(xié)議選擇

TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議提供IP環(huán)境下的數(shù)據(jù)可靠傳輸，其提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)流傳送、可靠性、有效流控、全雙工操作和多路復(fù)用。通過(guò)面向連接、端到端和可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送[6]。而UDP（User Datagram Protocol）則不為IP提供可靠性、流控或差錯(cuò)恢復(fù)功能。農(nóng)業(yè)大棚采集到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等數(shù)據(jù)，通過(guò)TCP打包發(fā)送，能可靠地進(jìn)行大棚數(shù)據(jù)的傳輸，更精準(zhǔn)地控制大棚環(huán)境[7]。

2.2 "數(shù)據(jù)處理

2.2.1 "下位機(jī)與單片機(jī)通信

該系統(tǒng)應(yīng)用ESP32-CAM的WIFI模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，該模塊的功能是將串口或TTL電平，轉(zhuǎn)為符合WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.g.n協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。將采集到的大棚數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)終端。溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制，需對(duì)其進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)化。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的步驟如下。

1）判斷是否為32個(gè)字節(jié)、分別以0x55 0x55和0xAA 0xAA開(kāi)頭和結(jié)尾。

2）通過(guò)十進(jìn)制轉(zhuǎn)化得到實(shí)際數(shù)值。

3）分類管理，存入數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表格。

2.2.2 "單片機(jī)與上位機(jī)通信

單片機(jī)與Qt Creator連接時(shí)，Qt Creator發(fā)送的是字符串，而且單片機(jī)串口中斷服務(wù)函數(shù)的機(jī)制是每條數(shù)據(jù)的幀尾必須是0x0d 0x0a，這條數(shù)據(jù)則可視為有效數(shù)據(jù)，方可被單片機(jī)接收，因此發(fā)送的每條數(shù)據(jù)除了需要把字符串轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制以外，還需要在數(shù)據(jù)增加單片機(jī)標(biāo)志幀尾。

3 "視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控采用ESP32-CAM攝像頭，工作時(shí)電源供電為5 V和2 A。GPIO32管腳控制攝像頭電源，當(dāng)攝像頭工作時(shí)，GPIO32拉低。IO0連接攝像頭的XCLK。UOR連接單片機(jī)的PA9（TX）接口，UOT連接單片機(jī)的PA10（RX）接口。ESP32-CAM模塊進(jìn)行視頻采集時(shí)的具體程序流程如圖3所示。

圖3 "視頻采集流程圖

4 "反饋控制

通過(guò)反饋控制可對(duì)農(nóng)業(yè)大棚中的不同設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的指令，通過(guò)TCP傳至單片機(jī)，進(jìn)而對(duì)補(bǔ)光燈、降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)和換氣風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。反饋控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，支持PC端的遠(yuǎn)程訪問(wèn)?？刂颇K具體功能如下。

1）補(bǔ)光燈控制。針對(duì)植物光合作用需要的光照，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的補(bǔ)光燈進(jìn)行控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到棚內(nèi)的光照強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，可以遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)光燈，增強(qiáng)棚內(nèi)光照強(qiáng)度，促進(jìn)農(nóng)作物的光合作用。

2）噴灑開(kāi)關(guān)控制。當(dāng)大棚內(nèi)的空氣濕度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)能夠手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)噴灑開(kāi)關(guān)對(duì)大棚內(nèi)空氣進(jìn)行加濕，當(dāng)濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值后停止加濕。

3）降溫風(fēng)扇控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到大棚內(nèi)的溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)啟降溫風(fēng)扇， 以降低大棚內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后關(guān)閉裝置。

4）換氣風(fēng)扇控制。當(dāng)大棚內(nèi)二氧化碳濃度低于閾值時(shí)，系統(tǒng)能夠手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)換氣風(fēng)扇，直到二氧化碳濃度到達(dá)合適值時(shí)，停止運(yùn)行。

5）PC端控制。在PC端可以對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制操作，并能夠?qū)⒉杉降霓r(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境信息和視頻，實(shí)時(shí)返回到用戶PC端，方便用戶查看，實(shí)時(shí)管理棚內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)。

6）手動(dòng)控制。使用者根據(jù)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境，手動(dòng)控制大棚內(nèi)的補(bǔ)光燈、降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)和換氣風(fēng)扇等設(shè)備。手動(dòng)控制流程如圖4所示。

7）自動(dòng)控制。當(dāng)監(jiān)測(cè)到大棚的溫度、濕度、光照強(qiáng)度及CO2濃度等數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)送指令，對(duì)補(bǔ)光燈、降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)和換氣風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行必要的調(diào)控。自動(dòng)控制流程如圖5所示。

5 "數(shù)據(jù)顯示

Qt Creator不依賴虛擬機(jī)、完全面向?qū)ο?、操作?jiǎn)單高效，故將Qt Creator作為顯示界面，為開(kāi)發(fā)、測(cè)試、維護(hù)等工作提供了便利[8]。系統(tǒng)顯示界面分為視頻顯示、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、反饋控制3個(gè)模塊。

1）視頻顯示。使用ESP32-CAM攝像頭拍攝大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)畫(huà)面，并通過(guò)WIFI傳輸?shù)浇K端，Qt Creator界面顯示大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)視頻狀況。

2）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊包括大棚內(nèi)空氣溫度、濕度的具體數(shù)值以及光照強(qiáng)度、CO2濃度的具體狀態(tài)，Qt Creator的顯示界面如圖6所示。

圖6 "Qt Creator顯示界面

3）反饋控制。在Qt Creator界面設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)模式選擇功能，在PC端可遠(yuǎn)程進(jìn)行模式選擇并實(shí)施控制。同時(shí)顯示補(bǔ)光燈、降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)和換氣風(fēng)扇4種設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制各設(shè)備的開(kāi)關(guān)按鍵。

6 "系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證農(nóng)業(yè)大棚自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。將大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器與單片機(jī)主控芯片連接在一起， 通過(guò)WIFI將數(shù)據(jù)編幀傳輸給上位機(jī)；系統(tǒng)采用Qt Creator編寫(xiě)上位機(jī)軟件，提供了便捷的人機(jī)交互界面，用可視化界面顯示大棚內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)。逐步提高大棚實(shí)際溫濕度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面顯示溫濕度，如圖7所示。

由圖7可知，隨著大棚內(nèi)實(shí)際溫濕度的提高，Qt Creator界面顯示的溫濕度也逐步提高，且界面顯示的溫濕度以大棚實(shí)際溫濕度為中心進(jìn)行上下擺動(dòng)，且溫度相對(duì)誤差分布于-0.44%～0.43%之間，濕度相對(duì)誤差分布于-1.52%～2.13%之間，表明系統(tǒng)具有較高的控制精度。

對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)置：當(dāng)大棚溫度在22～29 ℃、濕度在50％～75％、光照強(qiáng)度顯示正常、CO2濃度顯示正常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)不發(fā)送指令；當(dāng)溫度低于22 ℃或高于29℃、濕度低于50％或高于75％、光照強(qiáng)度偏低或偏高、CO2濃度偏低或偏高時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)指令，通過(guò)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控。不同環(huán)境參數(shù)下系統(tǒng)自動(dòng)控制的結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，在溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度異常情況下，降溫風(fēng)扇、噴灑開(kāi)關(guān)、補(bǔ)光燈和換氣扇均能自動(dòng)關(guān)閉和自動(dòng)打開(kāi)?？梢?jiàn)，在不同溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度下，監(jiān)控系統(tǒng)能使農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)在適宜的環(huán)境中。

7 "結(jié)論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)基于Qt Creator的農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，其表現(xiàn)為用戶可以通過(guò)Qt Creator顯示界面遠(yuǎn)程查看農(nóng)業(yè)大棚的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制大棚內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，這是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)非常關(guān)鍵的一步，對(duì)提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提升農(nóng)田生態(tài)環(huán)境都有著十分重要的意義。

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