基于OneNET云平台的温室大棚智能补光系统的设计.pdf

自 动 化 应 用 Automation Application 第 65 卷 第 16 期 2024 年 8 月 Vol 65 No 16 Aug 2024 基 于 OneNET 云 平 台 的 温 室 大 棚 智 能 补 光 系 统 的 设 计 李 艳 1 刘 瑞 2 张 庆 1 霍 婷 婷 1 李 鸿 儒 1 1 宁 夏 师 范 大 学 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 摘 要 温 室 大 棚 可 通 过 控 制 环 境 因 素 改 善 农 业 生 产 效 益 现 有 的 温 室 大 棚 对 环 境 因 素 的 调 节 过 于 依 赖 人 工 干 预 限 制 了 其 效 率 和 可 持 续 性 基 于 OneNET 云 平 台 的 温 室 大 棚 智 能 补 光 系 统 可 实 时 监 测 大 棚 内 的 光 强 信 息 当 光 强 未 达 到 最 佳 档 位 时 云 平 台 可 手 动 或 自 动 地 进 行 补 光 档 位 调 节 经 测 试 系 统 性 能 良 好 能 满 足 农 作 物 不 同 生 长 阶 段 和 不 同 季 节 对 补 光 的 需 求 对 智 慧 农 业 的 发 展 具 有 一 定 的 指 导 意 义 关 键 词 OneNET 云 平 台 智 能 补 光 单 片 机 温 室 大 棚 中 图 分 类 号 TP29 文 献 标 识 码 A DOI 10 19769 j zdhy 2024 16 079 Design of Greenhouse Intelligent Light Replenishment System Based on OneNET Cloud Platform LI Yan 1 LIU Rui 2 ZHANG Qing 1 HUO Tingting 1 LI Hongru 1 1 School of Physics and Electronic Information Engineering Ningxia Normal University Guyuan Ningxia 756000 China 2 School of Business and Distribution Shaanxi Industrial Vocational and Technical College Xianyang Shaanxi 712000 China Abstract Greenhouses can improve agricultural production efficiency by controlling environmental factors The existing greenhouses rely too much on manual intervention to regulate environmental factors which limits their efficiency and sustainability The greenhouse intelligent supplementary lighting system based on OneNET cloud platform can monitor the light intensity information in the greenhouse in real time When the light intensity does not reach the optimal level the cloud platform can manually or automatically adjust the supplementary lighting level Through testing the system has good performance and can meet the demand for supplementary light in different growth stages and seasons of crops which has certain guiding significance for the development of smart agriculture Key words OneNET cloud platform intelligent lighting single chip microcontroller greenhouse 0 引 言 2024 年 是 我 国 十 四 五 规 划 关 键 的 一 年 文 献 1 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 众 所 周 知 科 学 精 准 的 调 控 光 照 不 仅 有 助 于 提 升 植 物 生 长 效 率 和 质 量 还 能 减 少 光 能 源 浪 费 2 3 近 年 来 许 多 学 者 专 注 于 研 究 LED 在 农 作 物 补 光 领 域 的 应 用 特 别 是 智 能 补 光 4 5 基 于 OneNET 云 平 台 设 计 的 温 室 大 棚 智 能 补 光 系 统 以 STM32 F103 C8T6 单 片 机 为 控 制 模 块 利 用 光 敏 传 感 器 监 测 大 棚 内 的 光 照 强 度 并 通 过 WiFi 上 传 至 OneNET 云 平 台 在 PC 端 查 看 实 时 光 强 信 息 当 检 测 的 光 强 未 达 到 最 佳 档 位 时 需 通 过 手 动 模 式 或 自 动 模 式 提 高 或 降 低 LED 灯 的 补 光 档 位 以 达 到 农 作 物 最 适 宜 的 光 照 强 度 6 1 系 统 整 体 设 计 LED 智 能 补 光 系 统 包 括 感 知 判 断 控 制 监 视 4 个 主 要 部 分 该 系 统 采 用 了 模 块 化 设 计 由 光 强 检 测 电 源 单 片 机 LED 补 光 无 线 传 输 和 OneNET 云 平 台 6 大 模 块 组 成 在 光 强 检 测 模 块 中 定 值 电 阻 与 光 敏 电 阻 相 结 合 通 过 检 测 光 敏 电 阻 与 地 线 之 间 的 压 差 来 获 取 外 界 光 强 度 数 据 并 传 输 给 主 控 芯 片 处 理 主 控 部 分 采 用 STM32 F103 C8T6 单 片 机 通 过 与 设 定 的 光 照 强 度 阀 值 进 行 比 较 来 实 现 智 能 调 节 功 能 电 源 模 块 采 用 LM2576 稳 压 电 路 输 出 5 V 直 流 电 压 为 系 统 供 电 LED 补 光 模 块 使 用 恒 流 驱 动 模 块 利 用 脉 冲 宽 度 调 制 Pulse Width Modulation PWM 技 术 来 调 节 LED 补 光 灯 的 亮 度 无 线 传 输 模 块 采 用 ESP8266 可 将 大 棚 内 的 光 照 信 息 实 时 传 输 至 上 位 机 显 示 OneNET 云 平 台 模 块 具 有 显 示 当 前 LED 灯 的 操 作 状 态 和 环 境 光 照 强 度 的 基 金 项 目 宁 夏 自 然 科 学 基 金 项 目 2022 AAC03318 宁 夏 师 范 学 院 本 科 教 学 项 目 NJYZSTP2404 作 者 简 介 李 艳 女 1991 年 生 硕 士 讲 师 研 究 方 向 为 信 息 传 输 与 信 号 处 理 272自 动 化 应 用 第 16 期 计 算 机 与 通 信 技 术 功 能 并 可 以 自 动 控 制 或 手 动 控 制 下 位 机 系 统 整 体 框 架 图 如 图 所 示 图 1 系 统 整 体 框 架 图 2 系 统 硬 件 设 计 通 过 比 较 硬 件 选 型 可 得 到 所 需 的 硬 件 其 包 括 STM32 F103 C8T6 单 片 机 ESP8266 WiFi 模 块 0 96 寸 OLED 显 示 屏 GMDZ 光 敏 模 块 按 键 模 块 电 源 模 块 以 及 LED 补 光 模 块 2 1 WiFi 模 块 采 用 WiFi 无 线 通 信 传 输 数 据 时 使 用 ATKESP8266 型 号 ESP8266 模 块 内 置 完 整 的 TCP IP 协 议 栈 系 统 支 持 IEEE802 11b g n 协 议 并 利 用TCP 透 传 协 议 与OneNET 平 台 进 行 信 息 传 输 在 使 用WiFi 模 块 时 系 统 通 过 单 片 机 发 送AT 指 令 并 设 置ESP8266 模 块 7 WiFi 模 块 电 路 图 如 图2 所 示 图 2 WiFi 模 块 电 路 图 2 2 OLED 液 晶 显 示 模 块 服 务 器 接 收 到 光 强 数 据 后 将 数 据 同 时 发 送 至 大 棚 内 的 0 96 寸 4 帧 OLED 屏 幕 进 行 显 示 作 为 常 用 的 单 片 机 显 示 设 备 OLED 屏 幕 具 有 体 积 小 便 于 携 带 成 本 低 等 优 点 特 别 适 用 于 显 示 参 数 字 符 的 场 景 8 OLED 显 示 电 路 设 计 如 图 3 所 示 图 3 OLED 液 晶 显 示 电 路 2 3 光 照 强 度 检 测 模 块 光 照 强 度 检 测 模 块 主 要 器 件 是 GMDZ 光 敏 电 阻 硅 光 二 极 管 通 过 吸 收 光 能 并 加 速 半 导 体 载 流 子 的 运 动 将 光 能 转 化 为 电 信 号 并 输 出 9 输 出 电 压 与 光 强 成 正 比 因 此 可 通 过 测 量 输 出 电 压 间 接 得 到 光 照 强 度 光 强 检 测 模 块 电 路 图 如 图 4 所 示 图 4 光 强 检 测 模 块 电 路 图 2 4 按 键 模 块 手 动 控 制 模 式 采 用 按 键 控 制 包 括 自 动 和 手 动 切 换 键 按 键 1 补 光 档 位 减 小 键 按 键 2 补 光 档 位 增 大 键 按 键 3 按 键 按 下 接 地 单 片 机 可 通 过 判 断 端 口 是 否 为 低 电 平确 认按 键是 否按 下 按键 模块 电路 设计 如图 5 所 示 图 5 按 键 模 块 电 路 图 2 5 LED 补 光 模 块 补 光 电 路 包 括 LED 补 光 灯 和 NPN 型 三 极 管 其 中 三 极 管 的 基 极 与 单 片 机 P1 2 引 脚 相 连 当 单 片 机 P1 2 引 脚 发 送 低 电 平 信 号 到 三 极 管 的 基 极 时 三 极 管 与 LED 补 光 灯 导 通 从 而 实 现 补 光 功 能 10 根 据 农 作 物 的 生 长 需 要 LED 的 亮 度 通 过 PWM 信 号 调 节 LED 电 流 来 实 现 调 光 11 LED 补 光 模 块 电 路 图 如 图 6 所 示 图 6 LED 补 光 电 路 图 273自 动 化 应 用 第 16 期 计 算 机 与 通 信 技 术 3 系 统 软 件 设 计 3 1 智 能 补 光 系 统 程 序 设 计 3 1 1 自 动 补 光 下 位 机 和 云 平 台 通 过 WiFi 连 接 成 功 后 OLED 屏 幕 显 示 实 时 光 强 最 佳 档 位 补 光 档 位 自 动 控 制 OneNET 云 平 台 显 示 实 时 光 强 最 佳 档 位 补 光 档 位 光 强 记 录 控 制 模 式 在 自 动 模 式 下 若 光 照 强 度 高 于 最 佳 档 位 则 补 光 灯 降 低 档位 反之 补光 灯增 大档 位 自动 补光 流程 图如 图 7 所 示 图 7 自 动 补 光 流 程 图 3 1 2 手 动 补 光 通 过 按 键1 切 换 为 手 动 模 式 在 手 动 模 式 下 若 光 强 高 于 最 佳 档 位 则 通 过 按 键 2 降 低 LED 灯 的 补 光 档 位 反 之 通 过 按 键3 增 加LED 灯 的 补 光 档 位 手 动 补 光 流 程 图 如 图8 所 示 图 8 手 动 补 光 流 程 图 3 2 OneNET 云 平 台 设 计 系 统 基 于 中 国 移 动 OneNET 云 平 台 进 行 设 计 应 用 该 平 台 时 应 通 过 产 品 设 备 建 立 连 接 按 照 OneNET 平 台 进 行 标 准 化 接 入 包 括 登 录 注 册 添 加 产 品 添 加 设 备 配 置 设 备 后 台 创 建 设 备 序 列 号 和 密 钥 等 过 程 12 云 平 台 与 下 位 机 进 行 交 互 时 OneNet SendData 函 数 通 过 调 用 OneNet FillBuf 函 数 获 取 需 要 上 传 的 数 据 流 并 使 用 MQTT PacketSaveData 函 数 封 装 为 MQTT 协 议 包 然 后 调 用 ESP8266 SendData 函 数 将 数 据 上 传 至 平 台 函 数 中 使 用 了 数 据 缓 存 数 组 Buf 和 MQTT 协 议 包 结 构 体 MqttPacket 来 处 理 待 发 送 的 数 据 流 该 函 数 通 过 打 印 提 示 信 息 和 已 发 送 数 据 的 长 度 使 调 试 更 方 便 OneNET 云 平 台 显 示 界 面 如 图 9 所 示 图 9 OneNET 云 平 台 显 示 界 面 4 系 统 测 试 为 验 证 本 文 设 计 的 温 室 智 能 LED 补 光 系 统 功 能 的 有 效 性 和 运 行 的 可 靠 性 工 作 人 员 进 行 了 模 拟 测 试 下 位 机 与 云 平 台 连 接 正 常 功 能 测 试 部 分 用 例 表 如 表 1 所 列 性 能 测 试 部 分 用 例 表 如 表 2 所 列 由 表 1 表 2 可 知 通 过 执 行 测 试 用 例 系 统 的 各 功 能 均 能 正 常 运 行 且 系 统 性 能 良 好 说 明 该 系 统 有 较 高 的 准 确 性 和 可 靠 性 能 满 足 温 室 大 棚 内 智 能 补 光 的 需 求 表 1 功 能 测 试 部 分 用 例 表 用 例 编 号 01 02 03 04 测 试 项 光 强 能 实 时 显 示 自 动 模 式 能 正 常 工 作 手 动 模 式 能 正 常 工 作 补 光 档 位 能 正 常 变 化 操 作 步 骤 1 观 察 OLED 显 示 屏 2 观 察 云 平 台 显 示 3 改 变 光 照 强 度 执 行 1 和 2 1 控 制 模 式 设 置 成 自 动 逐 渐 增 大 光 照 强 度 观 察 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 2 逐 渐 减 小 光 照 强 度 观 察 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 1 控 制 模 式 设 置 成 手 动 按 下 按 键 2 观 察 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 2 按 下 按 键 3 观 察 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 1 控 制 模 式 设 置 成 自 动 补 光 档 位 为 0 逐 渐 增 加 光 照 强 度 观 察 OLED 屏 和 云 平 台 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 2 逐 渐 减 小 光 照 强 度 观 察 OLED 屏 和 云 平 台 补 光 档 位 的 变 化 及 补 光 灯 的 变 化 预 期 结 果 1 OLED 屏 正 常 显 示 参 数 2 云 平 台 显 示 正 常 且 与 OLED 屏 一 致 3 改 变 光 强 OLED 屏 和 云 平 台 随 之 改 变 1 当 光 照 强 度 增 大 到 一 定 值 时 补 光 档 位 自 动 减 1 补 光 灯 变 暗 2 当 光 照 强 度 减 小 到 一 定 值 时 补 光 档 位 自 动 加 1 补 光 灯 变 亮 1 按 键 2 按 下 补 光 档 位 降 低 补 光 灯 变 暗 2 按 键 3 按 下 补 光 档 位 增 加 补 光 灯 变 亮 1 增 大 光 强 补 光 档 位 从 0 增 大 至 4 补 光 灯 逐 渐 变 亮 2 减 小 光 强 补 光 档 位 从 4 减 小 至 0 补 光 灯 逐 渐 变 暗 实 际 结 果 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 274自 动 化 应 用 第 16 期 计 算 机 与 通 信 技 术 表 2 性 能 测 试 部 分 用 例 表 用 例 编 号 01 02 03 04 测 试 项 稳 定 性 灵 敏 性 异 常 掉 电 异 常 断 网 测 试 步 骤 1 系 统 运 行 24 h 以 上 2 观 察 OLED 屏 和 云 平 台 的 显 示 1 控 制 模 式 设 置 成 自 动 隔 30 s 改 变 1 次 光 照 强 度 连 续 持 续 10 次 以 上 2 观 察 OLED 屏 补 光 灯 云 平 台 的 显 示 及 变 化 1 设 备 突 然 断 电 后 再 接 通 电 源 2 观 察 OLED 屏 和 云 平 台 的 显 示 1 设 备 突 然 断 开 网 络 后 再 连 通 网 络 2 观 察 OLED 屏 和 云 平 台 的 显 示 预 期 结 果 1 OLED 屏 显 示 正 常 2 云 平 台 界 面 显 示 正 常 且 与 OLED 屏 显 示 一 致 1 OLED 屏 正 常 显 示 各 个 参 数 2 补 光 灯 能 根 据 光 强 变 化 实 现 自 动 补 光 3 云 平 台 界 面 显 示 正 常 且 与 OLED 屏 显 示 一 致 1 OLED 屏 断 电 黑 屏 接 通 电 源 后 恢 复 正 常 显 示 2 断 电 后 云 平 台 各 数 值 归 零 电 源 接 通 后 显 示 正 常 且 与 OLED 屏 显 示 一 致 1 OLED 屏 正 常 显 示 2 断 网 后 云 平 台 各 数 值 保 持 断 网 前 的 状 态 不 变 网 络 连 通 后 显 示 正 常 且 与 OLED 屏 显 示 一 致 测 试 结 果 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 与 预 期 结 果 相 符 5 结 语 基 于 OneNET 云 平 台 的 温 室 大 棚 智 能 补 光 系 统 可 满 足 农 作 物 在 不 同 的 生 长 阶 段 所 需 的 光 照 强 度 通 过 OneNET 云 平 台 远 程 监 控 大 棚 内 的 光 照 情 况 可 进 行 自 动 或 手 动 的 补 光 操 作 自 动 控 制 系 统 通 过 调 节 PWM 实 现 自 动补 光 通过 测试 系统 的功 能和 性能 表明 其能 稳定 地实 现 各种 功能 各方 面性 能良 好 可满 足温 室大 棚内 的农 作物 不 同 生 长 阶 段 和 季 节 对 补 光 的 需 求 该 系 统 具 有 节 约 成 本 减少能源浪费 自动化补光等优点 摆脱了过去依靠人 工 管 理 的 补 光 方 式 对 智 慧 农 业 的 进 一 步 发 展 具 有 一 定 意 义 参 考 文 献 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 程 鑫 徐 晓 辉 宋 涛 等 基 于 PSO SVR 模 型 的 温 室 智 能 补 光 系 统 研 究 J 中 国 农 机 化 学 报 2020 41 6 64 68 82 3 闫 嵩 杜 彦 芳 田 海 涛 等 基 于 作 物 生 长 的 智 能 补 光 系 统 的 研 发 和 应 用 J 天 津 农 业 科 学 2023 29 9 79 86 4 吴 一 新 叶 飞 韦 军 兰 等 自 适 应 智 能 LED 植 物 补 光 系 统 J 科 学 技 术 创 新 2019 30 88 89 5 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 6 蔡 鹏 盛 晓 雨 张 霞 基 于 OneNET 平 台 的 农 业 大 棚 环 境 监 测 系 统 J 河 南 科 技 2023 42 14 25 30 7 王 慧 基 于 OneNET 云 平 台 与 WiFi 的 工 厂 环 境 远 程 监 测 系 统 的 设 计 与 实 现 J 信 息 记 录 材 料 2023 24 5 130 133 8 陶 佰 睿 衡 文 丽 基 于 单 片 机 的 温 室 大 棚 LED 智 能 补 光 系 统 设 计 J 中 国 农 机 化 学 报 2016 37 10 181 184 9 薛 鸿 民 王 炜 卓 基 于 OneNET 云 平 台 的 室 内 环 境 监 测 系 统 J 科 技 资 讯 2023 21 11 18 21 10 杨 涛 基 于 STM32 单 片 机 的 LED 调 光 系 统 设 计 J 中 国 新 通 信 2022 24 15 25 28 115 11 申 康 何 永 玲 王 月 武 等 STM32 控 制 的 PWM 调 光 驱 动 电 源 设 计 J 电 子 器 件 2023 46 3 719 723 12 李 民 靖 郝 东 来 基 于 OneNET 的 家 居 智 能 晾 衣 架 系 统 设 计 J 物 联 网 技 术 2023 13 11 68 71 责 任 编 辑 黄 霞 reconstruction by disentangling geometry and appearance C 34 th Conference on Neural Information Processing Systems NeurIPS 2020 Vancouver Canada 2020 3 Guo H Peng S Lin H et al Neural 3 D scene reconstruction with the manhattan world assumption C 2022 IEEE CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition CVPR New Orleans LA USA 2022 4 Wang P Liu L Liu Y et al NeuS Learning neural implicit surfaces by volume rendering for multi view reconstruction C Thirty Fifth Conference on Neural Information Processing Systems 2021 27171 27183 5 Schnberger J L Zheng E Pollefeys M et al Pixelwise view selection for unstructured multi view stereo C European Conference on Computer Vision ECCV 2016 501 518 6 Chen D Lu H F Feldmann I et al Dynamic multi view scene reconstruction using neural implicit surface C 2023 IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing ICASSP 2023 7 于 楚 飞 隐 式 神 经 表 面 重 建 的 改 进 研 究 D 武 汉 武 汉 纺 织 大 学 2023 8 Oechsle M Peng S Geiger A UNISURF Unifying neural implicit surfaces and radiance fields for multi view reconstruction C 2021 IEEE CVF International Conference on Computer Vision ICCV Montreal QC Canada 2021 责 任 编 辑 李 慧 上 接 第 265 页 275