基于Qt Creator的农业大棚远程自动监控系统设计.pdf

2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业基于 Qt Creator 的农业大棚远程自动监控系统设计李艳1，刘瑞2，张庆1，霍婷婷1（1.宁夏师范学院 物理与电子信息工程学院，宁夏 固原 756000；2.陕西工业职业技术学院 商贸与流通学院，陕西 咸阳 712000）2024 年是我国“十四五”规划关键一年，2024 年中央一号文件指出，要强化科技和改革双轮驱动。要求强化科技支撑，优化农业科技创新战略布局，支持重大创新平台建设1。如今随着自动控制技术的不断进步，物联网和人工智能技术的不断发展，温室大棚的智能控制在我国进行广泛的研究，我国的智慧农业技术不断成熟2。传统农业的生产环境受自然环境的影响，而现代的智慧农业可以控制大棚内的环境，使农作物生长在最适宜的环境中3。温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等参数对于农作物的生长影响较大，传统的大棚环境参数需要人利用仪器设备进行实地监测，通过人工操控大棚内设备来调整大棚内的环境，这不仅不能保证大棚内的参数一直处于恒定区域，也大大增加人力物力的投入4。对于白天和夜晚温湿度差异较大的北方地区，为了使大棚环境参数处于一个恒定状态，设计一种大棚环境自动监控系统具有重要的意义。1系统整体框架基于 Qt Creator 的农业大棚自动监控系统包括数据采集存储、视频监控、数据显示及反馈控制 4 个子系统。采集存储子系统将前端各类传感器采集到的数据传送至MySQL 数据库存储。视频监控子系统通过摄像头对大棚内的情况进行实时监控。数据显示子系统能在 Qt Creator界面实时显示温度、湿度、光照强度和 CO2浓度等数据，同时实时显示大棚内的视频数据。反馈控制子系统通过手动摘要：为使农作物生长在最适宜的环境中，结合物联网技术与 Qt Creator 开发环境，设计一款农业大棚远程自动监控系统。系统由数据采集存储、视频监控、数据显示及反馈控制 4 部分组成。部署在大棚内的传感器实时采集大棚内的环境数据，采用单片机作为主控，并通过 WIFI 将大棚的测控系统与 Qt Creator 结合起来。同时，系统支持自动和手动 2 种控制模式，用户可以通过 Qt Creator 界面查看大棚环境的实时数据，并对大棚内的补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行操控。通过测试可得，Qt Creator 显示温度与大棚实际温度的相对误差分布于-0.44%耀0.43%之间，Qt Creator 显示湿度与大棚实际湿度的相对误差分布于-1.52%耀2.13%之间；在各环境数据异常情况下，相关设备均能自动关闭和打开。表明系统具有较高的控制精度且自动控制实时性高，能够实现农业大棚的远程监测和控制。关键词：物联网技术；Qt Creator；单片机；智慧农业；自动监控；视频监控中图分类号院TP27文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤08-0001-04Abstract：In order to make crops grow in the most suitable environment,a remote automatic monitoring system for agriculturalgreenhouses is designed by combining the Internet of Things(IoT)technology and Qt Creator development environment.The systemconsists of four parts:data acquisition and storage,video monitoring,data display and feedback control.The sensors deployed in thegreenhouse collect the environmental data in the greenhouse in real time,use the microcontroller as the main control,and combinethe measurement and control system of the greenhouse with Qt Creator through WIFI.At the same time,the system supports twocontrol modes:automatic and manual.Users can view the real-time data of the environment in the greenhouse through the Qt Cre原ator interface and manipulate the fill light,cooling fan,spray switch,ventilation fan and other equipment in the greenhouse.Throughthe test,it can be obtained that,the relative error between the Qt Creator display temperature and the actual temperature of thegreenhouse is distributed between-0.44%and 0.43%,and the relative error between the Qt Creator display humidity and the actualhumidity of the greenhouse is distributed between-1.52%and 2.13%;in the case of abnormalities of each environmental data,therelevant equipment can be automatically turned off and on.It shows that the system has high control precision and high real-timeautomatic 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基金项目院宁夏自然科学基金项目（2022AAC03318）；宁夏师范学院本科教学项目（NJYZSTP2404）第一作者简介院李艳（1991-），女，硕士，讲师。研究方向为信息传输与信号处理。DOI：10.20028/j.zhnydk.2024.08.0011-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture和自动 2 种模式控制降温风扇、喷洒开关、补光灯和换气风扇等设备来调节大棚内温度、湿度、光照强度及 CO2浓度等参数。监控系统功能框架如图 1 所示。图 1监控系统功能框架2数据采集存储本系统采用 HDC1080 温湿度传感器、MH-SenSor-Series 光照强度传感器、MQ-2 二氧化碳浓度传感器采集农业大棚内的温度、湿度、光照强度及 CO2浓度，并将数据传送给 STM32F103 单片机5。单片机与传感器以及摄像头的连接电路如图 2 所示。2.1通信协议选择TCP（Transmission Control Protocol）协议提供 IP 环境下的数据可靠传输，其提供的服务包括数据流传送、可靠性、有效流控、全双工操作和多路复用。通过面向连接、端到端和可靠的数据包发送6。而 UDP（User Data原gram Protocol）则不为 IP 提供可靠性、流控或差错恢复功能。农业大棚采集到的温度、湿度、光照强度和 CO2浓度等数据，通过 TCP 打包发送，能可靠地进行大棚数据的传输，更精准地控制大棚环境7。2.2数据处理2.2.1下位机与单片机通信该系统应用 ESP32-CAM 的 WIFI 模块实现无线传输，该模块的功能是将串口或 TTL 电平，转为符合WIFI 无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议 IEEE802.11b.g.n 协议栈以及 TCP/IP 协议栈。将采集到的大棚数据发送至数据终端。温度、湿度、光照强度和 CO2浓度等数据为十六进制，需对其进行十进制转化。上位机对数据进行处理的步骤如下。1）判断是否为 32 个字节、分别以 0 x55 0 x55 和0 xAA 0 xAA 开头和结尾。2）通过十进制转化得到实际数值。3）分类管理，存入数据库对应表格。农业大棚自动监控系统数据采集存储视频监控数据显示反馈控制通信协议选择数据处理视频采集视频传输视频显示数据监测反馈控制手动控制自动控制 3382103MHMQ SensorBAKPOWER LEDDOUTLEDAODOGNDVCCP204光敏元件光敏元件OBAKAODOGNDVCCLDOLEDPOWERLED102102102102102102B13GB14B15A8A9A10A11A12A15B3B4B5B125VB63.3B7B8B9G3.3RB11B10B1B0A7A6A5A4A33.3A2A1A0C15RESRTSTM32F103C8T6EAS800032.768KUSBBOOT0BOOT1IO13IO14IO15IO4IO2IO12GND5VGNDUORVCCGNDUOTIOOIO163V3ESP32-S106SOT-223M8OSSDASCLVCCGNDRHSENSORC14C13VBSWCLKGNDSWIO3V3LED+-图 2系统整体硬件连接图2.2.2单片机与上位机通信单片机与 Qt Creator 连接时，Qt Creator 发送的是字符串，而且单片机串口中断服务函数的机制是每条数据的帧尾必须是 0 x0d 0 x0a，这条数据则可视为有效数据，方可被单片机接收，因此发送的每条数据除了需要把字符串转换为十六进制以外，还需要在数据增加单片机标志帧尾。3视频监控视频监控采用 ESP32-CAM 摄像头，工作时电源供电为 5 V 和 2 A。GPIO32 管脚控制摄像头电源，当摄像头工作时，GPIO32 拉低。IO0 连接摄像头的 XCLK。UOR 连接单片机的 PA9（TX）接口，UOT 连接单片机的PA10（RX）接口。ESP32-CAM 模块进行视频采集时的具体程序流程如图 3 所示。2-2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业图 3视频采集流程图4反馈控制通过反馈控制可对农业大棚中的不同设备进行统一管理。监控系统发送的指令，通过 TCP 传至单片机，进而对补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行调控。反馈控制分为手动控制和自动控制，支持PC 端的远程访问。控制模块具体功能如下。1）补光灯控制。针对植物光合作用需要的光照，通过对现场的补光灯进行控制。当监测到棚内的光照强度低于预设值时，可以远程手动或自动打开补光灯，增强棚内光照强度，促进农作物的光合作用。2）喷洒开关控制。当大棚内的空气湿度小于预设值时，系统能够手动或自动启动喷洒开关对大棚内空气进行加湿，当湿度达到预设值后停止加湿。3）降温风扇控制。当监测到大棚内的温度高于预设值时，系统可以远程手动或自动开启降温风扇，以降低大棚内的温度，当温度达到预设值后关闭装置。4）换气风扇控制。当大棚内二氧化碳浓度低于阈值时，系统能够手动或自动启动换气风扇，直到二氧化碳浓度到达合适值时，停止运行。5）PC 端控制。在 PC 端可以对农业大棚内各类现场设备控制操作，并能够将采集到的农作物生产环境信息和视频，实时返回到用户 PC 端，方便用户查看，实时管理棚内农作物生产。6）手动控制。使用者根据农业大棚环境，手动控制大棚内的补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备。手动控制流程如图 4 所示。7）自动控制。当监测到大棚的温度、湿度、光照强度及 CO2浓度等数据异常时，系统自动发送指令，对补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇等设备进行必要的调控。自动控制流程如图 5 所示。图 4手动控制流程图图 5自动控制流程图5数据显示Qt Creator 不依赖虚拟机、完全面向对象、操作简单高效，故将 Qt Creator 作为显示界面，为开发、测试、维护等工作提供了便利8。系统显示界面分为视频显示、数据监测、反馈控制 3 个模块。1）视频显示。使用 ESP32-CAM 摄像头拍摄大棚内的实时画面，并通过 WIFI 传输到终端，Qt Creator 界面显示大棚内的实时视频状况。2）数据监测。数据监测模块包括大棚内空气温度、湿度的具体数值以及光照强度、CO2浓度的具体状态，Qt Creator 的显示界面如图 6 所示。图 6Qt Creator 显示界面3）反馈控制。在 Qt Creator 界面设计了手动和自动模式选择功能，在PC 端可远程进行模式选择并实施控制。同时显示补光灯、降温风扇、喷洒开关和换气风扇 4种设备当前所处的状态和远程控制各设备的开关按键。6系统测试为了验证农业大棚自动监控系统的准确性，对系统进行测试。将大棚内环境数据采集传感器与单片机主控芯片连接在一起，通过 WIFI 将数据编帧传输给 打开设备文件查询并设置设备属性视频输出格式设置视频属性采集视频数据取出输入对象中的buf取出数据放到输入队列释放资源关闭设备是否帧buf是否停止采集否是是否开始结束 开始手动控制输入指令下发指令是否下发成功？下位机控制是否控制成功？结束否是否是 开始与上位机通信自动控制发送指令下位机控制是否控制成功？结束否是否是是否超过阈值？系统不发送指令3-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture上位机；系统采用 Qt Creator 编写上位机软件，提供了便捷的人机交互界面，用可视化界面显示大棚内部的温湿度数据。逐步提高大棚实际温湿度，监测系统界面显示温湿度，如图 7 所示。由图 7 可知，随着大棚内实际温湿度的提高，QtCreator 界面显示的温湿度也逐步提高，且界面显示的温湿度以大棚实际温湿度为中心进行上下摆动，且温度相对误差分布于-0.44%耀0.43%之间，湿度相对误差分布于-1.52%耀2.13%之间，表明系统具有较高的控制精度。对监控系统进行如下设置：当大棚温度在 22耀29 益、湿度在 50豫耀75豫、光照强度显示正常、CO2浓度显示正常时，监控系统不发送指令；当温度低于 22 益或高于 29益、湿度低于 50豫或高于 75豫、光照强度偏低或偏高、CO2浓度偏低或偏高时，系统发送相应指令，通过相关设备进行调控。不同环境参数下系统自动控制的结果见表 1。渊a冤温度测试渊b冤湿度测试图 7系统实际情况工作测试温度/降温风扇 湿度（%）喷洒开关 光照强度 补光灯 CO2浓度 换气扇 21 关 48 开 偏低 开 偏低 开 24 关 60 关 正常 关 正常 关 30 开 76 关 偏高 关 偏高 关 表 1监控系统自动控制结果由表 1 可知，在温度、湿度、光照强度和 CO2浓度异常情况下，降温风扇、喷洒开关、补光灯和换气扇均能自动关闭和自动打开。可见，在不同温湿度、光照强度和 CO2浓度下，监控系统能使农业大棚内的农作物生长在适宜的环境中。7结论本文通过设计基于 Qt Creator 的农业大棚远程监控系统，具体实现了物联网与实际应用的联系，其表现为用户可以通过 Qt Creator 显示界面远程查看农业大棚的相关环境数据以及实现远程控制大棚内的相关设备，这是实现智慧农业非常关键的一步，对提升农业生产效益，促进农业现代化，提升农田生态环境都有着十分重要的意义。参考文献院1 姜长云.2024 年中央一号文件的突出亮点 J.农村金融研究，2024（2）：3-13.2 张帅，刘金林.“互联网+”背景下我国智慧农业的发展问题与策略J.农业经济，2023（11）：7-10.3 DHANARAJU M，CHENNIAPPAN P，RAMALINGAM K，etal.Smart Farming：Internet of Things（IoT）-Based Sustain原able AgricultureJ.Agriculture，2022，12（10）：1745.4 武海华，黄灿.物联网技术对智慧农业的影响及应用J.中国农业资源与区划，2023，44（8）：9，20.5 吕爱华.基于单片机技术的大棚远程温控系统应用J.农机化研究，2023，45（6）：208-212.6 包虹璐.网络通信中嵌入式 TCP_IP 协议单片机技术运用分析J.科技资讯，2023，21（18）：48-51.7 李会民，颜明会，任红彬，等.基于 UDP 协议实现数据安全、高效传输的方法研究J.北华航天工业学院学报，2022，32（6）：8-10.8 孔祥雪，王万宁，孙艺，等.基于 QGIS 和 QT Creator 的应急制图自动化研究J.科技创新与应用，2022，12（5）：24-26.4-