2024年9期 智慧農業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三農 基于物聯(lián)網的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)研發(fā)與應用 李 帥 楊凌職業(yè)技術學院 陜西 楊凌 712100 我國作為農業(yè)產業(yè)生產大國 隨著經濟的快速發(fā) 展和數字化的進步 土地和資源的短缺問題 惡意占用 耕地和環(huán)境日益變壞的情況 人口激增所帶來的各式 各樣的矛盾越加明顯 普通農業(yè)種植滿足不了那些因 為自然災害 地理復雜而導致的廣大人口正常需求 而 我國科技化種植起步比外國晚 與外國有一定的差距 如農業(yè)溫室大棚的現(xiàn)代化管理與控制水平還急需提 升 而溫室大棚作為農業(yè)技術的重要產物 能夠根據農 作物的生長特性和專屬的生長環(huán)境 創(chuàng)造一個人工干 預的適合其生長的環(huán)境氣候 減少季節(jié)氣候等自然因 素的影響 將物聯(lián)網技術應用到溫室大棚中 不僅能夠 在一定程度上減少人力成本 而且能夠為農作物提供更 舒適的環(huán)境 進而達到農業(yè)產量提高的成效 1 總體設計 本系統(tǒng)采用典型的物聯(lián)網架構 包括感知層 傳輸 層 平臺層和應用層4個部分 感知層負責全面監(jiān)測溫室大棚內的環(huán)境生態(tài)信 息 是環(huán)境智慧控制系統(tǒng)最基礎且至關重要的組成部 分 以Arduino作為智能終端的核心主控制器 利用各 種傳感器實時采集溫室大棚內的環(huán)境因子數據 再通 過手機APP端遠程手動或系統(tǒng)自動操作 遠程控制溫 室大棚內的補光燈 風扇 水泵等執(zhí)行器設備 從而達 到調整溫室大棚內環(huán)境因子的效果 傳輸層在本系統(tǒng)的職責是對環(huán)境數據和控制指令 的傳遞 將感知層采集的環(huán)境因子數據上傳給主控制 器設備和通信模塊 再由通信模塊通過MQTT協(xié)議將 數據傳輸給物聯(lián)網云平臺的應用層和平臺層 平臺層在本系統(tǒng)設計的職責是數據的儲存 管理 及指令的執(zhí)行 本系統(tǒng)使用的是 Blinker 云平臺 Ar duino主控器將傳感器采集的環(huán)境因子數據進行處理 再通過ESP8266 NodeMcu模塊將數據上傳到云平臺 再由云平臺將數據進行實時顯示 還可通過云平臺遠 程控制執(zhí)行器設備 應用層在本系統(tǒng)設計的職責是處理并管理由平臺 層轉發(fā)的數據 并為用戶提供遠程監(jiān)控的UI界面 通 過手機端的UI界面 用戶能夠在任何時間 任何地點 摘 要 為null 國nullnull null 設計nullnull 出一null 物聯(lián)網的nullnull大nullnullnull智慧控制nullnull nullnullnull以Arduino為控制nullnull null 合nullnullnullnull感null nullnullnullnullnull感null nullnullnullnullnull 感null null以nullnullnullnull nullnull nullnullnull和nullnullnull等nullnullnull 最null通過ESP8266 NodeMcu通信null 實現(xiàn)數據null 與null程控制 nullnull 力null為農null設計出一nullnull 一定null 化null能的控制null 進null 助到農null可以 耗費更少的人力資源去管理更大更多的null 大null 以達到農作物null效生產的效果 關鍵詞 物聯(lián)網nullnull 大null 智慧控制nullArduinonullESP8266 中圖分類號 S625 文獻標志碼 A 文章編號 2096 9902 2024 09 0005 04 Abstract In order to respond to the national call this paper designs and studies a set of greenhouse environment smart control system based on the Internet of Things The system takes Arduino as the control core combines temperature and humidity sensor soil humidity sensor and photosensitive resistance light intensity sensor plus actuators such as micro water pump fan heating piece and supplementary light lamp and finally realizes data transmission and remote control through ESP8266 NodeMcu communication module This paper is committed to designing a set of control system with certain automation function for farmers so as to help farmers spend less human resources to manage larger and more greenhouses so as to achieve the effect of efficient crop production Keywords Internet of Things greenhouse smart control Arduino ESP8266 基金項目 楊凌職業(yè)技術學院2023年科技創(chuàng)新項目 ZK23 43 楊凌職業(yè)技術學院2023年產學研基地建設項目 JDJS 01 作者簡介 李帥 1994 男 碩士 助教 研究方向為設施園藝技術 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 5 2024年9期智慧三農 智慧農業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 遠程監(jiān)控溫室大棚的環(huán)境因子數據 2 系統(tǒng)研發(fā) 2 1 系統(tǒng)硬件設計 基于物聯(lián)網的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)設計的 硬件結構是由數據采集模塊 執(zhí)行器模塊 Wi Fi通信 模塊 電源模塊和顯示模塊5個模塊構成 為了證實溫室大棚內的終端設備能實現(xiàn)自動化和 遠程控制的可能性 本實驗系統(tǒng)設計并制造了一個基 于Blinker云平臺的物聯(lián)網溫室大棚簡化模型 以模擬 大棚的真實運行環(huán)境 本系統(tǒng)通過使用風機 微型水泵 補光燈等執(zhí)行 器 進而模擬溫室大棚工作運行環(huán)境 其中 執(zhí)行器模 塊通過繼電器控制其驅動 結合手機APP以達到控制 自動化和用戶遠程控制的效果 2 1 1 數據采集模塊 數據采集模塊是本溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)設 計中數據采集功能的主要硬件構成 數據采集模塊采 集數據的準確性直接決定了后續(xù)系統(tǒng)功能的自動化與 遠程通信控制 數據采集模塊選用了 3 個傳感器構 成 分別是DHT11溫濕度傳感器 YL 69土壤濕度傳 感器 光敏電阻光照強度傳感器 數據采集功能會輔 助自動與手動控制模式 進而更好地實現(xiàn)控制農作物 的效果 1 溫濕度傳感器 在農作物的生長周期中 合適的 氣溫和濕度是至關重要的因素 氣溫和濕度變動的速 度能影響植物的光合過程 進一步干擾其生長 只有在 適宜的溫濕環(huán)境下 農作物才能健康成長 因此 對溫 濕度進行有效監(jiān)控和調整是確保農作物健康生長與農 作物產量的關鍵 在該傳感器電路中 采用了一種新型電阻式感濕 控制元件和NTC模式測溫控制元件 該傳感器的感濕 電阻會隨環(huán)境變化而改變 進而影響電路傳遞的電壓 值 再通過軟件代碼的換算公式得到此時的環(huán)境溫度 與濕度數據 2 光照電阻光照強度傳感器 不同農作物對光照 強度的需求不同 過高或過低的光照強度都會對農作 物的生長產生不良影響 光照強度過強會導致植物生 成過量的光合物質 反之 若光照強度偏低 則會限制 植物光合作用的效率 這2種情況均會對植物的成長 及發(fā)展產生不利影響 因此 在種植農作物時 需要根 據其光照需求來合理控制光照強度 在該傳感器電路中 光敏穩(wěn)壓電阻的工作狀態(tài)受 其所處環(huán)境的光照強度影響 不同光照環(huán)境下不同的 光敏穩(wěn)壓電阻阻值會影響電路傳遞不同的輸入和輸出 光敏電壓 再通過軟件相應的換算公式進而可以直接 測量出環(huán)境光照強度數據 3 土壤濕度傳感器 土壤濕度對農作物的重要性 不言而喻 世界上多少農田因為干涸導致農作物枯死 同時過多的水分也會造成農作物飽和致死 所以農作 物的生長需要合適的土壤濕度 土壤濕度的高低會影 響植物的吸收能力 根系生長 光合作用和抗病能力 因此 農民需要根據不同作物的要求 合理控制土壤濕 度 以保證農作物的健康生長 本系統(tǒng)設計土壤濕度傳感器采用YL 69 該傳感 器選用濕敏材料作為電阻 傳感器采集數據原理是因 為其電阻值會隨著探頭周圍濕度的變化進而改變 從 而使輸出電壓值改變 再通過軟件代碼設計端編寫的 換算公式得到百分比的土壤濕度數據 2 1 2 執(zhí)行器模塊 1 加熱片 高溫容易引發(fā)病蟲害 低溫會延長生長 期 降低產量 需要合理調節(jié)溫度 提高產量 加熱片選 用PTC加熱片為發(fā)熱元件進行模擬 在發(fā)熱元件啟動運 行時 發(fā)熱器件通過內能轉換為熱能 再通過熱傳遞導 致周圍空氣溫度的上升 從而最終實現(xiàn)提高大棚內環(huán) 境溫度的效果 進而為農作物創(chuàng)造出宜居的生長環(huán)境 2 風扇 降溫器選用小電機散熱風扇為降溫元件 進行模擬 通過電流的傳遞使得電機帶動風扇葉片 機 械運動產生風力進而實現(xiàn)空氣對流加速散熱 同時還 有改善大棚空氣品質的效果 3 微型水泵 水分是農作物生長和發(fā)育的關鍵因 素 適宜的水分能夠促進植物吸收營養(yǎng) 提高產量 過 多或過少的水分都會對農作物產生負面影響 如使 植物生長緩慢 凋萎 感染病害等 因此需要科學調 控水分 本系統(tǒng)選用微型水泵為澆灌元件進行模擬 水泵 通過葉輪的高速旋轉 驅動泵體內的水噴射出來 在大 氣壓的作用下 模擬水池的水被吸入泵體 進而可以實 現(xiàn)持續(xù)地噴出和吸入循環(huán) 4 補光燈 光照對植物進行光合作用至關重要 其 可以推動植物的成長和發(fā)育 不同的農作物對光照的 需求各有差異 過度或不足的光照都可能對農作物造 成不良影響 例如減緩植物的生長速度 或是導致葉片 黃化等 因此 科學的光照調控對提升農作物的產量具 有重要作用 補光燈選用LED燈為補光元件進行模擬 補光燈 利用其內部半導體組件的原理來發(fā)射光線 為植物提 6 2024年9期 智慧農業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 智慧三農 供其健康生長必要的照明 系統(tǒng)主要是在光照條件較 弱時使用補光燈 其能夠一定程度上提升大棚內的光 照水平 以實現(xiàn)在夜晚或者光照強度低下時為農作物 補光的需求 2 1 3 Wi Fi通信模塊 為了實現(xiàn)數據傳輸模塊與云平臺的遠程通信 相 對比于其他ESP8266型號 在本系統(tǒng)中使用了功能更 加完善 性能更加優(yōu)秀的 ESP8266 NodeMcu通信模 塊 該模塊負責系統(tǒng)主控制器與遠程手機APP端的數 據交換 此外 該模塊集成了Wi Fi HTTP MQTT等多 種通信傳輸協(xié)議 該模塊可輔助其他嵌入式芯片使用 也可自成一體單獨使用 在本系統(tǒng)中 將Arduino主控制器與相應串口配置 并連接 利用模塊內部的嵌入式MQTT通信協(xié)議 把串 口的數據轉化為Wi Fi信號數據 通過軟件設計將該 模塊的串口與主控制器相配置 當ESP8266與云服務 器連接成功 即可實現(xiàn)數據通信 本系統(tǒng)選用STA模式 作為通信模塊的工作模式 通過物聯(lián)網云平臺使用 MQTT通信協(xié)議 實現(xiàn)對溫室大棚系統(tǒng)與手機端的數據 傳輸通信 已達到遠程通信控制的功能 2 2 系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)設計用于收集和解析各傳感器在溫室大棚 內部環(huán)境檢測到的各項數據 進一步確定現(xiàn)行的控制 模式 在自動控制模式下 系統(tǒng)將依據手機應用預設的 環(huán)境參數門限值自主運行 而在手動控制模式下 控制 權將完全交由手機應用的用戶手動操作 2 2 1 信息采集軟件設計 1 溫濕度采集設計 本系統(tǒng)選用的DHT11型號的 溫濕度集成傳感器 與其他相似的環(huán)境因子傳感器相 比 優(yōu)勢在于其能夠省去信號放大 過濾 A D和D A 轉換等內部處理步驟 直接輸出數字信號 在DHT11 程序中 傳感器上電后會有一段數據穩(wěn)定期 以確保檢 測到的溫濕度數據是真實可靠的 2 光照強度采集設計 在本系統(tǒng)中 光照強度模塊 由光敏電阻傳感器組成 在光線的照射下 光敏電阻會 發(fā)生改變 并因此產生微弱的電流變動 再通過數模 ADC轉換 將光敏傳感器檢測出的模擬信號轉化為數 字信號 與此同時 系統(tǒng)會使用ADC1的第1通道來調 整光敏二極管的電壓 3 土壤濕度采集設計 為了獲取更為精確的土壤 濕度讀數 采用了市場上相關農業(yè)從事者廣為認同的 YL 69土壤濕度傳感器 將該模塊通過A0引腳輸出的 數字信號與Arduino單片機的A1數字引腳相連 通過 數模A D轉換 以便將模擬信號轉化為數字信號 經過 轉換后的A D值可以通過軟件代碼編寫的換算公式得 到電壓值數據 再通過換算公式轉化為土壤的相對濕 度 進行A D轉換的單片機 本系統(tǒng)選用了配備12位 ADC的Arduino 使用ADC2的通道2進行操作 并將 得出的數據分為100個等份進行等比轉換 從而達到 對土壤相對濕度的百分比讀取 2 2 2 Wi Fi網絡通信程序設計 為了實現(xiàn)數據傳輸模塊與云平臺的遠程通信 系 統(tǒng)通過連接ESP8266再通過MQTT協(xié)議 能夠使得大 棚系統(tǒng)與云平臺進行信息互通 并完成TCP連接的構 建和數據的收發(fā)等任務 ESP8266 NodeMcu進入透傳 模式是通過串口通信來完成的 首先 通過AT指令 AT UART DEF 115200 8 1 0 0 設定ESP8266的 串口波特率匹配透傳波特率 通常為115 200 bps 然 后 通過微控制器發(fā)送AT指令 AT CIPMODE 1 設 定 ESP8266 為透傳模式 接著發(fā)送 AT 指令 AT CIPSEND 啟動透傳模式的數據發(fā)送功能 最后 將需 要發(fā)送的數據通過串口傳送給ESP8266 數據將被直接 傳送到連接的Wi Fi網絡中 這樣 系統(tǒng)就與云平臺建 立了連接 且成功切換至透傳模式 2 2 3 執(zhí)行器控制軟件設計 1 風機控制設計 在本系統(tǒng)設計中 自動模式下的 風機控制主要是由溫室大棚內的環(huán)境溫度決定 系統(tǒng) 會根據用戶在手機端設置的溫度閾值對風機進行智能 控制 溫室大棚內的溫濕度傳感器DHT11的響應時間 是20 100 s 因此系統(tǒng)會快速且準確地作出相應的智 能決策 2 補光燈控制設計 光是農作物進行光合作用的 必要條件 因此充足且適宜的光照是農作物健康生長 的重要因素之一 在本系統(tǒng)設計中 自動模式下的補光 控制主要是由溫室大棚內的光照強度決定 正常情況 下 日出日落時的光照強度大約是300 lux 對于農作物 來說 白天太陽給予的光照強度足夠農作物進行光合 作用 為了使農作物能更加高產與健康 系統(tǒng)設置了以 300 lux為閾值進行補光智能控制 當大棚內的光照強 度小于300 lux時為進入黑夜 補光燈開啟 當大棚內 的光照強度大于300 lux時為進入白天 補光燈關閉 3 加熱片控制設計 在所有的農業(yè)相關的系統(tǒng)設 計中 加熱片 加熱管等可以提升大棚內部環(huán)境溫度的 器件 是智慧農業(yè)穩(wěn)定控制農作物產量的設備之一 該 設備主要應用于氣溫相對低的北方地區(qū)及全部地區(qū) 任何一個季節(jié)都要面臨的晝夜溫差問題 在大棚內 7 2024年9期智慧三農 智慧農業(yè)導刊 Journal of Smart Agriculture 放置功能良好的加熱設備可穩(wěn)定地使大棚提高一定 溫度 4 灌溉控制設計 農作物的健康生長由多種環(huán)境 因子制約 不同的農作物最適宜的生長環(huán)境因素還各 具特點 在眾多環(huán)境因子中 水分更是重中之重 自然 界中任何一個羰基生物都離不開水分的滋潤 但水分 的量也要 因地制宜 因材施教 對于農作物而言 只 有適量的水分能讓其生長最大化 在本系統(tǒng)設計中 自 動模式下的灌溉控制主要是由溫室大棚內的土壤濕度 決定 3 系統(tǒng)應用 管理者與操作者 通過手機端控制大棚設備和查 看大棚內溫濕光 小氣象站等傳感器信息 用戶在這里可以實時監(jiān)控所有大棚內設備的運行 情況 大棚內溫濕光 二氧化碳 土壤溫濕電導率 土壤 氮磷鉀的實時數據 用戶當地的天氣預報情況和大棚 周邊視頻監(jiān)控情況等 做到對大棚數據全掌握 并在大 棚數據異常的情況下 及時通過監(jiān)控平臺進行報警 通 知用戶及時處理 減免損失 可以遠程控制大棚內設備 運行 做到第一時間處理現(xiàn)場情況 安全可靠 中央監(jiān)控平臺在用戶大屏控制中心提供一個全方 位的監(jiān)控中心 集中管理 一目了然 各種大棚數據可 以集中監(jiān)控 如發(fā)現(xiàn)異常會及時報警 中央遠程控制平 臺如圖1所示 圖 1 中央遠程控制平臺 4 結束語 發(fā)展適度的規(guī)模化生產管理與采用智能化的溫室 大棚是我國現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的方向 本文以基于物聯(lián)網 技術的溫室大棚環(huán)境智慧控制系統(tǒng)為研究對象 通過 數據與測試闡述了溫度 空氣濕度 土壤濕度和光照強 度濃度環(huán)境因子對農作物生長的影響 本系統(tǒng)設計基 于傳感器對溫室大棚內不同環(huán)境因子數據的采集 對 溫室大棚內風機 水泵 補光燈等相關執(zhí)行器設備進行 遠程控制等功能設計 參考文獻 1 張冰 余艷偉 魯紹坤 等 基于物聯(lián)網的集散控制系統(tǒng)在溫室 群環(huán)境監(jiān)測控制中的應用 J 江蘇農業(yè)科學 2018 46 13 226 231 2 李可欣 鄭源 陳躍鋼 等 基于微水發(fā)電系統(tǒng)的智慧農業(yè)物聯(lián) 網設備研發(fā)及應用 J 排灌機械工程學報 2022 40 11 1173 1180 3 潘小紅 楊志勇 基于物聯(lián)網技術的溫室大棚種植園環(huán)境監(jiān)測 系統(tǒng) J 現(xiàn)代電子技術 2019 14 127 130 4 尚明華 胥兆麗 尹志豪 等 基于物聯(lián)網的溫室大棚一體化控 制系統(tǒng)的設計 J 山東農業(yè)科學 2018 50 10 142 146 5 胡開明 劉薇 付志堅 基于物聯(lián)網智能溫室大棚控制系統(tǒng)的 設計 J 自動化技術與應用 2021 10 64 67 8