基于物联网的智能温室大棚控制系统设计_高贯磊.pdf

71山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）基于物联网的智能温室大棚控制系统设计（济南大学机械工程学院，山东 济南 250022）高贯磊,李长普,付帅帅,陈博文,张成梁 摘 要 本文针对大棚缺乏实时根据农作物生长环境参数而不能根据现场条件快速响应的技术问题。提出了一套基于物联网技术、无线通信技术和自动控制技术相结合的智能温室大棚控制系统，该系统实现了用户可以通过本地云端用户 APP”三位一体的模式，可以对温室大棚环境参数的实时数据和历史记录进行查看，并且对温室大棚内设施进行远程控制。关键词 温室大棚；物联网；无线通信；自动控制；智能化管理 中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）02-0071-07DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.02.012 收稿日期 2022-06-28 作者简介 高贯磊（1997），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生；李长普（1995），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生；付帅帅（1997），男，济南大学机械工程学院，硕士研究生；陈博文（1999），男,济南大学机械工程学院，硕士研究生。通讯作者：张成梁（1983），男，博士，济南大学机械工程学院，副教授，硕士生导师。引 言随着社会和经济的高速发展，人们越来越追求高质量的水平的生活。而我国人口众多，耕地面积少。提高农作物产量和最大限度地利用耕地具有重要意义。为了提高农作物的产量，国内外都开发了智能温室系统15。所谓的智能温室系统旨在借助于现代科学技术来调节植物生长所需的不同环境条件，主要有温度、湿度、二氧化碳浓度、光照值、土壤湿度、土壤水分、土壤肥力值这 7 个环境参数，从而使农作物处于最佳的生长环境中,进而最大幅度地提高农作物的产量。目前蔬菜种植大棚的泵房系统大多数为半自动化状态，存在诸多问题：用户需要现场手动开启水肥机进行大棚施肥操作，频繁进出泵房，对泵房内设备的使用存在安全风险；蔬菜大棚内设施、气象信息等设备与泵房系统没有实现信息互联互通，各个模块之间存在信息孤岛；无法进行总控制端的智能展示，领导和各级管理人员无法实时了解设备使用状态和大棚现场的环境参数，更无法及时根据现场情况做出快速应急反应；设备间均采用有线连接，布线不便。该系统目的是将现代技术应用在农业发展，把人们从繁重的的体力劳动中解放出来，并使他们体会到现代技术带来的乐趣。一、智能温室大棚系统架构本文控制系统的设计主要是通过对各传感器监测数据的综合分析,针对性的生成用于控制调控装置启停以及调控量的调控执行指令，以解决现有技术中,没有根据作物的实时生长环境参数而导致的无法及时根据现场情况做出快速应急反应的问题。构建智能温室大棚监控系统的核心目的是通过分布在大棚内的各种传感器模块采集环境参数6，然后利用无线数传电台进行数据的传输与汇聚，将数据有效地发送到泵房的工控机上，再通过物联网单元将数据上传至阿里云服务器7，72基于物联网的智能温室大棚控制系统设计使得用户可以在手机 APP 或办公区域一体机的可视化界面上进行在线监控和管理，实现更好的监测和管理。可以根据大棚种植区环境信息，对大棚种植区域内相关设备动作，包括：水肥灌溉、补光灯、风扇、遮阳等设备的启停。图 1 为智能温室大棚整体系统架构图。图 2 为各传感器信息采集框架。图 1 智能温室大棚整体系统架构图 2 各传感器信息采集框架二、系统硬件设计系统硬件设计主要分为三部分：数据采集模块设计8,9、无线传输设备10,11和水肥一体机灌溉设计12。1.环境数据采集模块设计（1）主控单元：主控芯片采用 STM32 单片机。具 体 型 号 为 STM32F103C8T6。STM32F103C8T6是基于Arm Cortex-M3 核的 32 位微控制器。使用LQFP48 封装，ST 属于 STM32 系列。FLASH 中的程序内存容量为 64 KB（64K8 位），RAM 中为 20 KB（20k8 位），闪存中为两个 12 位 ADC，总共 12路通道（外部通道仅有 PA0 到 PA7，pb0 到 PB1，而非18 个通道），37 个通用 I/O 端口（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4 个 16bit 定时 器，TIM2、2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作电压 2 V 3.6 V，工作温度-40C85C，系统时钟高达 72 mHz。其实物图如下图所示。图 3 CPU 主控芯片实物图73山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）其引脚结构如图所示图 4 CPU 主控芯片引脚图利用 STM32 采集模块采集 CO2、温湿度、光照、土壤温湿度、土壤 EC、土壤 PH 传感器的值。（2）各传感器采集单元：环境信息对农作物的生长至关重要，直接影响着作物的产量，因此，本控制系统利用下位机的传感器采集园区内空气的温度值、湿度值、CO2浓度、光照度、土壤温度值、土壤水分含量及土壤肥力浓度等环境信息，通过传感器数据模块传送至RS485节点上，然后通过数传电台传输到泵房内的云服务器上，根据各传感器的参数设定进行分析展示，然后完成相应设备的控制。显示设备实时显示温室内的温度、湿度、照度等数值，使温室数据的完整画面显示更加清晰。CO2传感器采用 MH-Z16 传感器用于检测空气 CO2浓度，NDIR红外气体模块是一种小型通用传感器。它利用非色散红外（NDIR）原理检测空气中的CO2。它具有良好的选择性，无氧依赖性，使用寿命长。集成温度传感器，用于温度补偿；数字输出和模拟电压输出同时进行，操作方便。图 5为 MH-Z16 电路板。图 5 MH-Z16 电路板光照传感器采用 GY-30 构成光照模块电路。GY-30 是一款内置 ROHM-BH1750FLV 芯片的数字光照强度模块。芯片内置 16bitAD 转换器，可直接数字输出，测量光照强度范围为0-65535lx（精度可选）。除此之外，模块内置电平转换，支持 35 V 供电，可与 5 V 单片机 IO 直接连接；对外提供 IIC 接口，方便使用。图 6 为 GY-30 电路图。图 6 光照传感器电路图土壤温湿度传感器采用 DS18B20 构成土壤温度模块电路。DS18B20 是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。它的接线方便，封装成后可应用于多种场合。图 7 为 DS18B20 电路图。图 7 DS18B20 电路图土壤湿度传感器yl-69 土壤湿度传感器的工作原理是使用湿度灵敏度。当环境湿度发生变化时，具有感湿能力的介质发生变化，导致感湿能力发生变化。容量与湿度成正比。湿敏电容器具有灵敏度高、反应速度快、滞后小等优点，易于小型化和集成化。图 8 为 YL-69 电路图。74基于物联网的智能温室大棚控制系统设计图 8 YL-69 电路图土壤 EC 传感器Mec10 土壤 EC 传感器，MEC10 是一种可靠且稳定的传感器，用于估算土壤和灌溉水中的盐度。即可检测水肥一体溶液，它可以检测营养液和基质溶液的电导率。电极由经过特殊处理的合金制成，能承受强大的外力，不易损坏；高精度，响应快，互换性好，探针插入式设计保证测量精确，性能可靠。2.无线通讯本 文 的 控 制 系 统 通 过 数 字 无 线 模 块AS62-T27传输STM32记录的各种传感器的数值；AS62-T27 是一个高度稳定的、具有工业强度的433 MHz、500 mW 数字无线模块，最远传输距离可达 6 Km。它是利用 SX1278 射频芯片和 LORA扩频调制技术设计和开发的。该模块采用高效的循环纠错算法，具有高编码效率和高纠错能力，大大提高了模块的抗干扰能力和高稳定性。该模块有四种工作状态，在工作中可以自由切换。在低功耗工作模式下，电流消耗极低，是极低功耗应用的理想选择。3.水肥一体机硬件设计水肥一体机是智能温室大棚系统的重要组成部分13-15。在智能温室大棚系统的联动控制下，可以实现精准灌溉，节水节肥，灌溉用水量智能决策，促进了智慧农业的可持续发展，开拓了智慧农业智慧灌溉的新领域，因此，设计一款水肥一体机对于智能温室大棚至关重要，本控制系统主要水肥一体机的管路部分和电气控制部分设计。（1）管路部分：智能温室大棚控制系统设置了 4 个料筒，其中 3 个肥料桶，1 个混合桶，均设置有搅拌装置。入水口和出水口接到事先预留好的管道上，清水经过入水口进入进水总管，进水总管材质为PVC，规格为2寸，经过球阀和DN50过滤器，分 3 路进入 3 个肥料桶中，每路均设置有电磁阀，肥料桶容量为 500 L，直径 840 mm，高1200 mm。经过自动搅拌后，肥水在水泵的作用下经过 DN20 过滤器、浮子流量计、电磁阀进入到混合桶中，其中，浮子流量计最大量程为 500 L/H，3 个桶为 1.5 m3/h，经过综合考虑，选择水泵型号为 PX203E，其参数如表 1 所示。混合桶中的肥水在注肥泵的作用下经过电子流量计，最终汇入灌溉总管，注肥泵型号为 SLS25-110，其参数如表 2所示。管路安装简图如图 9 所示。表 1 PX203E 泵参数泵型号最大流量(m3/h)最高扬程(m)额定功率(kw)额定电压(V)PX203E4100.37220注肥泵参数表如下。表 2 SLS25-110 泵参数泵型号最大流量(m3/h)最高扬程(m)额定功率(kw)额定电压(V)SLS25-1105.2150.55220图 9 水肥一体机管路安装简图其中:1、搅拌电机；2、混合桶；3、电子流量计；4、出水口；5、注肥泵；6、注水泵；7、DN20 过滤器；8、电磁阀；9、浮子流量计；10、DN50 过滤器；11、球阀；12、入水口；13、肥料桶。（2）电气控制部分：本控制系统共采用 4个肥料桶，每个肥料桶都带有搅拌功能，因此设计 4 个单相交流电动机。水泵和注肥泵均为变频电动机，均可在一定范围内调节控制压力。设计3 个进桶电磁阀和 3 个出桶电磁阀；大棚种植区域灌溉管路控制设计 8 个电磁阀；另外设计有稳压电源、PLC、变频器、显示器、信号转换模块、75山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）信号调理模块等器件。水肥一体机的核心是 PLC 控制器，其采用的型号为西门子 200Smart SR30，PLC 与 PC 机通讯一般有 Modbus、TCP/IP、PROFIBUS、PROFINET等协议，本控制系统采用基于 485 总线的 Modbus协议进行通讯。智能温室大棚控制系统设计搅拌继电器接到PLC 的 Y0.0 线圈，与 4 路搅拌电机继电器相连，PLC 输出搅拌指令后，搅拌继电器吸合，实现搅拌功能。PLC 输出线圈 Y0.1-Y0.6 接到 6 路中间继电器上，当 PLC 发出进水的指令后，相应的中间继电器吸合，清水进入肥料桶中。当 PLC 发出进水的指令后，相应的中间继电器吸合，肥水进入混合桶中。另外，PLC、变频器和无线阀控通过 485 总线连在一起。变频器与水泵和注肥泵相连，可以调节两个泵的流量，从而精准施肥。无线阀控与8个种植区域的电磁阀通过工业2.4G/5G无线网络相连，PLC通过Modbus协议发出指令后，无线阀控接收到指令，通过无线网给电磁阀发送指令，从而控制灌溉总管的开闭。温室大棚种植区域连接拓扑示意图如图 10 所示。图 10 温室大棚种植区域拓扑示意图三、系统集成智能温室大棚控制系统将所有的设备、仪表、传感器等集成在一个有序工作的系统中，由泵房工控机统一调控，自行开发智能控制软件，可以实现多用户计费、进出门管理、用户权限管理、监控存储查看、数据存储、打印报告分析等功能。同时，软件系统可控制水肥一体机、补光灯、遮阳卷帘机、放风机设备。依托于阿里云的强大计算服务，在云端设置云数据库，将服务站所有信息上传到云数据库，使得远程用户可以通过手机、平板电脑等设备方便的获知服务站内情况。本方控制系统形成“本地-云端-用户 APP”三位一体的模式，如图 11 所示。图 11 本地-云端-用户 APP 三位一体模式图四、软件开发本文控制系统软件用 C#开发上位机操作界面，实现监控和数据交换，在阿里云服务器上建立 Mysql 数据库，将下位机采集的数据使用 Mysql 数据库进行存储，通过 PHP 后端和76基于物联网的智能温室大棚控制系统设计HTML+CSS 前端设计 Web 界面，用户通过 PC 或者手机 APP 登陆，实现整个控制网络的远程监控和管理。如图 12 为软件开发总体框架图。图 12 软件开发总体架构图智能温室大棚控制系统界面如图 13 所示，在界面上可以实时显示6个大棚的空气的温度值、湿度值、CO2浓度、光照度、土壤温度值、土壤水分含量及土壤肥力浓度，而且可以设置参数的阈值，只要环境参数值高于或低于设定的范围，系统则会启动报警装置，提示技术人员对大棚种植区域内相关设备动作，包括：水肥灌溉、补光灯、风扇、遮阳等设备的启停。五、结束本研究将物联网技术、无线通信技术和自动控制技术相结合，开发了智能温室控制系统，较好地解决了传统温室控制中环境参数监测不及时等缺点。同时，用户可以根据采集环境信息等数据调整作物生长环境，实现对作物的精细化控制，实时保证温室内植物生长的最适宜环境，实现精细化控制，实现远程批量控制，为农作物的高产、优质、高效、生态、安全提供生产条件，能够提高农户的生产效率，降低生产成本，增加生产收入，具有良好的应用价值和发展前景。图 13 智能温室大棚控制系统界面参考文献1 龚琴.基于物联网的温室大棚智能监控系统在农业中的应用 J.电脑与信息技术,2022,30(1):53-56.2 陈慧.基于物联网的温室大棚智能监控系统研究 D.杭州:浙江科技学院,2021.3 Guo Yaqin.Design of energy-saving greenhouse automatic irrigation systemJ.IOP Conference Series:Earth and Environmental Science,2022,983(1).77山东工业技术 2023 年 第 2 期(总第 310 期）4 Zhang Xiaoli,Duan Hongcheng,Qu S.Design of“Internet+”-Based Intelligent Greenhouse Control SystemC/2021 IEEE Asia-Pacific Conference on Image Processing,Electronics and Computers(IPEC).IEEE,2021.5 Ye Haitao,Yang Yongjie,Zhu Linyu.A wireless network detection and control system for intelligent agricultural greenhouses based on nb-iot 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respond quickly according to field conditions.This paper proposes a set of intelligent greenhouse control system based on the combination of Internet of Things technology,wireless communication technology and automatic control technology,which realizes the trinity mode of“local-cloud-user APP”and allows users to view real-time data and historical records of environmental parameters of greenhouse.The system allows users to view real-time data and historical records of greenhouse environmental parameters and to remotely control the facilities in the greenhouse.Key Words:greenhouse,internet of things,wireless communication,automatic control,intelligent management