基于物联网技术的农业大棚智能监控系统构建

　　摘要：本系统是基于物联网技术的、采用STM32微控制器设计的智能大棚，当系统实时采集分析温度、湿度、光照强度等数据后，主控制板通过以太网将数据上传到PC机，用户就可以直接通过PC机来进行相应操作或者系统自动判断并进行调整，使大棚内的温度、湿度、光照强度符合作物生长所需，用户还可通过视频实时监控观察大棚内情况。

　　关键词：STM32F103RCT6;物联网;智能大棚;以太网

　　近年来，农业大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工监控方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室监控系统价格昂贵，不适合国情。

　　针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，基于物联网的智能大棚监控系统使这些成为可能。

　　1.系统方案

　　本项目基于物联网技术，采用以太网传输数据的方式，将主控板、传感器、PC机进行有效的连接，从而达到对大棚智能监控的目的。整个系统在降低投资的基础上，减少人力资本，完成蔬菜大棚的增值创收。

　　模块1：以太网数据传输

　　以太网数据传输是整个系统实现智能化的基本要求，通过以太网控制器可将主控板上采集分析的数据无线传输到PC机上。

　　模块2：传感器

　　本项目设计过程中加入了温湿度传感器、光照强度传感器，实现数据的实时采集，由于成本问题，未添加二氧化碳传感器。

　　模块3：PC端远程控制

　　PC机可通过无线连接到主控板所发送的数据，用户通过PC机界面上显示的数据做出相应判断，进行大棚的远程监控，还可在PC机上监测到大棚内的实时影像。

　　2.系统硬件设计

　　该智能大棚控制系统以 32 位 ARM 为主控制器，通过温度、湿度、光敏传感器，对大棚内外的温度、湿度、光强进行实时采集，通过 A/D 转换，把信号送往 MCU 进行处理。在 CPU 内部 Flash 存有一个小型的温室环境数据库，通过对传感器采集的环境参数进行分析对比，最终做出决策，系统自动发出指令，控制大棚内的温度调节、采光、自动浇灌等子系统进行相应的动作;或根据 LCD 上显示的信息，通过PC端采取干预性的发出控制指令，从而达到控制大棚内部环境，便于农作物的生长的目的。

　　控制的详细指标分别为：

　　(1)大棚内的温度基本保持在 20～26℃;

　　(2)光强基本保持在 6～12 格的范围之内;

　　(3)湿度基本保持在 35%～65%。

　　2.1基本结构硬件系统的设计

　　该智能大棚采用 STM32F103RCT6 為主控制器，用来总体协调控制整个系统，对内部 A/D 采集的数据进行处理，与内部设定的数据库比较，根据设定的各参数发出指令控制采光、照明、温度调节、自动浇灌子系统，来改变大棚内部的环境指数。同时，还可利用 STM32F103RCT6来驱动液晶屏，实时地显示大棚内外的各环境参数。本系统采用一块 DHT11温度传感器，来采集大棚内外的温度、湿度值。系统的体系结构如下图所示：

　　2.2主控板

　　采用STM32F103RCT6为核心的主控芯片，组成项目所需主控电路.

　　2.3以太网模块

　　ENC28J60 是带有行业标准串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的独立以太网控制器。它可作为任何配备有 SPI 的控制器的以太网接口。通过该模块，可将数据由主控制板上传到PC机，用户就可以直接通过PC机来控制棚内电机，实现远程监控。

　　2.4传感器

　　DHT11：一款湿温度一体化的数字传感器。该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。传感器内部湿度和温度数据 40Bit 的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。

　　该传感器用于检测棚内的温湿度，当棚内的温湿度不在设定值范围内时，此时主控制板就会通过以太网将数据上传到PC机，用户就可以直接通过PC机来监测棚内温湿度情况，并控制棚内电机，使其运行，以达到满足作物生长条件的目的。

　　光照强度传感器：光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。本项目中我本采用了光敏电阻传感器，可以检测周围环境的亮度和光照，具有灵敏度可调的优点，其工作电压为3.3V。该传感器用于检测大棚内的光照强度，当棚内光照强度不足时，补光灯会自动开启，进行补光，满足大棚内农作物光合作用是对光照的要求。

　　2.5电机及补光灯驱动模块

　　在项目模型中，采用L298N双H桥电机驱动芯片驱动电机和补光灯，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，具有过电压和过电流保护、PWM脉宽平滑调速、可实现正反转等特点。该驱动模块采用了两块L298N芯片，可对三台电机和补光灯进行控制.

　　2.6电源模块

　　电源模块是任何装置都不可缺少的一部分，由于参与本设计的模块众多，我们制作了AC-DC converter 交直流转换电源模块，可输出+24/+15V/-15V/+5V电压，并采用一个正向低压降稳压器AMS117-3.3，获得+3.3V电压.

　　3.系统软件设计

　　该智能大棚的软件系统，通过主程序调用多种中断子程序来实现，包括定时器中断、A/D 中断和端口中断。主程序主要负责系统时钟、键盘中断、液晶屏、内部 AD、定时器 A B、IIC 及各种参数设置的初始化。项目系统软件框架如下图所示：

　　4.系统创新

　　(1)使用独立以太网控制器，传输数据时稳定、传输速率快;

　　(2)开发系统成本低、功能强;

　　(3)使用基于 Internet 的物联网来实现精确而专业的蔬菜管理，放宽了菜农的蔬菜种植水平

　　5.结论

　　本智能监控系统，采用无线通信方式实现系统各组件之间的通信，使数据检测从机具备极高的安装和操控灵活性。同时通过对云服务器的使用实现了数据的备份和远程实时监控，经长时间测试，运行效果良好，数据采集和上传更新稳定，可以满足农业大棚所需的基础智能监控功能。

　　参考文献：

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　　[2]韩志平。温室环境参数模糊控制[D].沈阳：沈阳工业大学，2012.

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　　[4]刘国彦，段益群.基于物联网技术的温室大棚控制系统设计[J].信息与电脑(理论版)，2014(2).

　　[5]潘刚，蒲国林，王安志，等.基于物联网技术的温室大棚控制系统的设计[J].工业控制计算机，2014(2).

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文章名称： 基于物联网技术的农业大棚智能监控系统构建

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