连接云平台的智能温室大棚检测系统.pdf

年第期 连接云平台的智能温室大棚检测系统杨鹏 ，包本刚 ，陈小雷（湖南科技学院 电子与信息工程学院 ，永州）基金项目 ：湖南科技学院大学生研究型学习与创新性实验项目资助 ：湘科院教发 号 。摘要 ：在当今智能化的背景下 ，传统的管理方式已无法满足对温室大棚的实时检测与控制 。智能温室大棚控制系统通过网络连接云平台 、温室终端和用户 ，实现用户对大棚内环境 （土壤温湿度 、土壤酸碱度 、空气湿度等 ）的实时检测与控制 ，从而减少人工看护 ，降低成本 。关键词 ：云服务 ；温室检测 ；中图分类号 ： 文献标识码 ： ， ， （ ， ， ，）： ， ， （ ， ， ） ， ， ： ； ；引言随着物联网产业的迅速崛起 ，其应用已经延伸到了人们生活中的各个方面 ，在现代的农业生产中同样出现了物联网的身影 ，特别是智能温室蔬菜大棚远程监控系统极大地提高了农业的生产力 。目前智能温室大棚远程监控系统采用的设计方案往往结构比较复杂 ，如自组网（嵌入系统 ）通信模块商业云平台 。由于子系统较多 ，采用的模块较为复杂 ，所以实现成本较高 ，难度较大 。本文基于云服务的温室检测系统 ，采用为主控芯片无线通信模块 ，无需运行和协议栈，且子系统和模块较少 ，使得整个系统实现起来相对容易 ，成本较少 ，维护比较简单 ，是温室测控系统的理想选择 。 系统架构如图所示 ，整个检测系统分为个部分 ：温室服务器 、乐联云 、用户终端 。用户通过乐联云可以实时获取温室大棚内的环境参数并能做出调整 。温室服务器通过乐联云向用户反馈数据 ，并接收用户命令 。乐联云提供数据的存储 、检测 ，数据命令的转发 ，紧急情况下向用户报警的功能 。 温室服务器下位机设计原理如图所示 ，温室服务器采用图 系统示意图芯片 ，该芯片拥有 ，含有多达路、路比较器 、个定时器等资源 。特别是其多达个引脚和超低的功耗十分适合系统需求 。通信模块采用的是模块 ，通过连接进行上网，其具有操作指令简单 、使用方便 、连接容易等优点 。采用指令联网时只需条指令 ，网络断开自动重连 ，使用和进行通信。 系统硬件设计 数据采集模块设计如 图所 示 ，采 用作为主控制芯片 ，实现终端数据采集功能 ，并且通过将采集 的 土 壤 、空 气 温 湿 度 、敬请登录网站在线投稿年第期 图 温室服务器框架图光照强 度 、浓 度 等终端 数 据 通 过协议 打 包 上 传 到 乐 联网平 台 。在 物 联 网 农业温室大棚中 ，实现对各种 数 据 的 实 时 监 控必须接入相应的传感器 ，本系统的传感器数据采集部分共分为空气温度采集 、空气湿度采集 、土壤温度采集 、土壤湿度采集 、光照强度采集 、浓度采集 ，其中采集空气温湿度数据使用数字温湿度传感器，土壤温度采集使用数字传感器 ，光照强度采集使用光学数字传感器 ，土壤湿度采用土壤湿度检测模块 ，浓度采用二氧化碳浓度测量检测模块 。图 数据采集设计原理图 控制模块设计如图所示 ，控制电路使用芯片继电器组合的方式控制电源通断的方式 ，从而实现对外部不同亮度的光进行远程监控 、温室的排风机控制 、温室加热装置的控制 、对温室滴灌装置的控制 、对温室卷帘装置的控制 。图 控制电路 电源设计方案：采用节干电池 （）实现检测系统下位机和各个模块所需要的电源需求 ，使用交流电对控制模块进行供电 。方案：采用电源适配器作为下位机的电源 ，提供电压 ，最大电流 。采用电源适配器 。方案结构简单 ，实现容易 ，且更加符合大棚环境下的使用 ，所以最终电源方案使用方案。 系统软件设计通过模块上传数据 ，通过指令控制模 块 。通 过 串 口 与通信 。登录乐联网平台 （云平台 ），将数据按一定格式发送到平台 。各个检测模块和控制模块在各模块时序的控制下通过的引脚与进行通信 。其中的引脚为（）、（），波特率为 。（）的指令如表所列 。表 的 指令指令 功能 测试 连接 登陆云平台 选择透传模式 开启透传数据上传格式为 ：用户认证 ：“ ：，“ ：“ 用户名 “ ，“ ：“ 设备号 “ ，“ ：“ 数据上传 ：“ ：，“ ：，“ ：“ 传感器号 “ ：值 ，“ ：（）模块首先主机发送开始信号 ，即拉低数据线 ，保持（至少）时间 ，然后拉高数据线（）时间 ，然后读取的响应 ，正常情况下 ，会拉低数据线 ，保持（）时间 ，作为响应信号 ，然后拉高数据线 ，保持（）时间后 ，开始输出数据 。（）模块单总线上的所有通信都是以初始化序列开始 。主机输出低电平 ，保持低电平时间至少，以产生复位脉冲 。接着主机释放总线 ，的上拉电阻将单总线拉高 ，延 时，并进入接收模式 （）。接 着拉低总线，以产生低电平应答脉冲 。 系统初始化如图所示 ，初始化系统滴答时间（），用于 年第期 图 系统初始化流程图基本时间延时 ；初始化系统中断优先 级（）；初始化串口，波特率为，（）；初 始 化显示器 ，（）；下位机人机交互初始化定时器，中 断 一 次 。（，）；初始化矩阵键盘 ，（），初始化关照采集 ，参考电压为。（）；初始化、风扇 、滴灌 、加热装置连接引脚 。初始化串口，波 特 率 为 ，用 于 和建立连接 。初始化，发送指令 。登陆乐联网云平台 。开启定时器，用于系统刷新 。 数据采集模块软件设计通过在室内安装的采集模块对室内环境数据进行采集 。主要有模块对空气的温湿度使用串行通信 ，按照时序读取模块数据获取当前环境的温度和湿度 。数据采集后会与预定值进行比较 ，通过比较结果判断对系统的控制 ，实现对温室的控制 。土壤的温湿度 、的浓度 、光照强度等通过温湿度采集模块 （）、土壤温湿度采集模块 （）、浓度采集模块 、光照强度采集模块 （）实现 。数据采集流程图如图所示 。 设备控制模块软件设计如图所示 ，设备控制模块主要有自动模式和手动模式两种 。自动模式下 ，系统通过采集的数据与预设值进行比较 ，当采集值与预设值不匹配时 ，系统就会自行发送指令控制相关的设备 ，使得不匹配数值回到正常状态 。手动模式下 ，通过云平台获取用户对系统的控制指令 ，根据用户的意愿开启或关闭相关设备 。图 数据采集流程图图 设备控制流程图通过控制引脚的电平控制继电器模块实现对各个外设的通断电控制 ，在满足条件下打开相应的设备 。当数据异常时进行调整 ，数据正常时断电 。 乐联云搭建和使用 云平台介绍如图所 示 ，登陆乐联网云平台：。在 “我的设备列表 ”中可以看到用户当前的所有设备 。在 “设备添加界面 ”中可以添加设备 ，设置设备标识 、类型 、数据刷新时间 、设备名称 、是否可控 （设备分为两种 ：可控设备和非可控设备 ）。在当前用户中标识是唯一的 ，数据的上传和命令控制都是通过设备标识进行的 。一个下位机服务器需要添加两个设备 ，一个非可控设备用来接收下位机服务器数据采集模块的数据 ，一个可控设备用来接收用户终端的命令 ，下发给相应的控制器 ，从而实现对下位机服务器控制模块的控制 。图 乐联网云平台 传感器列表如图所示 ，在这里将为下位机服务器的所有数据采集模块添加传感器 ，一个数据采集模块对应一个传感器 。添加了个传感器分别对应空气温度采集 、空气湿度采集 、土壤温度采集 、土壤湿度采集 、光照强度采集 、浓度采集 。传感器的值每分钟刷新一次 ，刷新时间可在“我的设备 ”接收设备中进行设置 。传感器数值是最后一次上传的数据值 。传感器列表中的传感器都属于非可控设备 。图 传感器列表 控制器列表如图所示 ，在这里将为下位机服务器的所有控制模块添加控制器 ，一个控制模块对应一个控制 。控制器列表的传感器都属于可控设备 ，可根据实际需求选择开关控敬请登录网站在线投稿年第期 制或者数值控制 ，开关控制只有两种状态 ：开 关 ，对应排风控制 、卷帘控制 、滴灌装置控制 。数值控制用户可设置最大值 、最小值 ，从而实现在区间内的数据选择 ，对应光照强度控制 、加热装置控制 。图 控制器列表 用户终端的使用（）网页端如图所示 ，端可以打开浏览器 ，进入乐联网：，在菜单列表中选择集中控制 ，用户可以看到下位机上传的实时数据 ，通过控制设备控制下位机 。图 网页端（）手机端如图所示 ，手机微信关注 “乐为物联 ”公众号 ，点击 “我的物联网设备 ”便可查看当前大棚环境数据并实现远端控制 。图 乐为物联公众号结语随着智能农业的发展和人工费用的成本增加 ，基于云服务的温室检测将逐渐取代人工 ，成为未来温室大棚乃至智慧农业的核心 。基于云服务的温室检测系统实现了对温室环境下的土壤温湿度 、空气温湿度 、土 壤 酸 碱 度 、空 气 流 动 状况 、光照强度 、氧气 二氧化碳浓度的检测 ，并通过洒水 ，雾化 、加温 、通风 、打开 关闭卷帘的方式控制不同模块 ，实现对温室环境的人为控制和通过对比数据的自动控制 。在未来基于云服务的温室检测系统将携手大数据 ，真正实现智慧农业 。基于云服务的温室检测系统还可在智能家居应用中进行扩展 ，实现对家庭环境的检测 ，并增加漏电检测 、一氧化碳 （煤气 ）检测 、火焰报警等特定环境下的系统 。参考文献孙其博 ，刘杰 ，黎羴 ，等农田环境信息采集系统设计与实现自动化仪表，（）：杜一腾 ，迟宗涛基于 与 平台的实时环境监测系统 单片机与嵌入式系统应用 ，（）：朱若茜 ，张礼勇无线传感器网络监测环境中的煤矿安全度评价 哈尔滨理工大学学报 ，（）：岳敬华 ，张珣智能社区云服务平台及服务模式研究物联网技术 ，（）：张尼 ，姚海鹏物联网嵌入式智能卡远程管理技术电信工程技术与标 ，（）：杨鹏 ，主要研究方向为嵌入式系统应用 ；包本刚 （副教授 ），主要研究方向为集成电子电路设计和集成电路测试 。（责任编辑 ：薛士然收稿日期 ：） 卢先领 ，夏文瑞基于最大似然估计的加权质心定位算法 信息与控制 ，（）：刘魏基于 视频监控的运动目标检测系统研究 衡阳 ：南华大学 ，：王宣达 ，李临生嵌入式 下多线程视频监控的设计和实现 信息通信 ，（）：刘大红基于 流媒体服务器的设计与实现西安：西安电子科技大学 ，：刘志军 ，王建基于 的嵌入式视频监控系统设计单片机与嵌入式系统应用 ，（）：周宁兆 ，宋彬 ，常义林基于 的视频通信抗分组丢失方法研究 计算机学报 ，（）：符晓勇智能小车软件系统设计与路径规划方法研究杭州 ：浙江理工大学 ，：廖兴宇 ，汪伦杰基于 的 节点三维定位算法研究 计算机技术与发展 ，（）：丁锐 ，钱志鸿 ，王雪基于 和 联合估计的 定位方法 电子与信息学报 ，（）：谢芝玉 ，刘雄飞 ，胡志坤基于 展开的 井下定位算法研究与实现 计算机工程与应用 ，（）：张龙杰 （讲师 ），主要研究方向为军用物联网技术 、武器控制技术 ；张晓瑜 （工程师 ），主要研究方向为军用仿真技术 ；胡慧 （工程师 ），主要研究方向为网络与信息通信系统 ；张龙云 （高级工程师 ），主要研究方向为计算机模拟技术 。（责任编辑 ：薛士然收稿日期 ：）