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摘要:

針對(duì)溫室中農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量受光照強(qiáng)度、溫濕度和二氧化碳(CO2)濃度的影響問(wèn)題，提出了一種基于WiFi的溫室環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分，使用STM32F103作為主控制器將傳感器檢測(cè)的溫室光照強(qiáng)度、溫濕度和CO2濃度等信息，經(jīng)由WiFi模塊傳送給PC機(jī)，管理者既可以遠(yuǎn)程查看溫室作物的生長(zhǎng)情況和環(huán)境信息，也可發(fā)送指令控制卷簾機(jī)、補(bǔ)光燈、遮陽(yáng)板、灑水器和排風(fēng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，能實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。

關(guān)鍵詞:

WiFi;溫室;智能控制;傳感器

0引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式也發(fā)生了較大的變化［1］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐步進(jìn)入依靠科技提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、提高農(nóng)業(yè)的整體效益和增加農(nóng)民的收入的新時(shí)期。溫室技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的重要途徑，溫室蔬菜生產(chǎn)需要更少的勞動(dòng)力、更少的成本、不易受氣候的影響、比傳統(tǒng)的蔬菜生產(chǎn)方式具有更快的回報(bào)［2－5］。因此，溫室蔬菜被農(nóng)民追捧。然而，沒(méi)有遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，難以有效地控制分散的溫室［6］。近年來(lái)，出現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，這種監(jiān)控系統(tǒng)有諸多缺點(diǎn)，例如安裝復(fù)雜、設(shè)備成本高、接入速度慢、覆蓋范圍小等［7－10］。為了控制成本、增加農(nóng)民收入、配合我國(guó)三農(nóng)規(guī)劃［11－13］，本文設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的溫室環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的基于WiFi的溫室環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分，使用STM32F103作為主控制器將傳感器檢測(cè)的溫室光照強(qiáng)度、溫濕度和二氧化碳濃度等信息，經(jīng)由WiFi模塊將采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程PC機(jī)，PC機(jī)對(duì)獲取到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，管理者既可遠(yuǎn)程查看溫室作物的生長(zhǎng)情況和環(huán)境信息，也可以發(fā)送指令控制天窗、灑水器、降溫除濕器、升溫加濕器和CO2發(fā)生器等，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的目的。本系統(tǒng)還可以同時(shí)檢測(cè)和控制多個(gè)溫室的環(huán)境。從圖1可看出，各個(gè)大棚每隔一定的時(shí)間將檢測(cè)到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示與處理。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的目的，本文設(shè)計(jì)了基于WiFi的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。硬件部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送和根據(jù)指令控制相應(yīng)設(shè)備啟停的功能。硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。其中，WiFi模塊起到了數(shù)據(jù)傳遞的功能，是最主要的部分。WiFi具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣和傳輸速率高的特點(diǎn)，在每一個(gè)大棚內(nèi)只需提供一個(gè)WiFi熱點(diǎn)便可連接所有傳感器。而上位機(jī)只需要匯總傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，然后判斷其是否超過(guò)了所設(shè)的閾值，并作出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，上位機(jī)還配有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，可隨時(shí)查詢(xún)不同時(shí)刻的檢測(cè)數(shù)據(jù)。溫度檢測(cè)模塊使用AD590［14］溫度傳感器，其將溫度轉(zhuǎn)換為電流，溫度每增加1°，其的輸出電流也會(huì)增加1μA。AD590溫度傳感器可檢測(cè)的溫度范圍為－55℃～150℃。溫室內(nèi)濕度過(guò)高會(huì)影響作物的莖葉生長(zhǎng)，以及開(kāi)花結(jié)果。本系統(tǒng)采用MP－508B［15］濕度傳感器檢測(cè)溫室內(nèi)的濕度，傳感器工作電壓為7～15V，可測(cè)量0%～100%的濕度范圍。并通過(guò)在高溫天氣加濕和低溫、陰雨天的除濕來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的濕度。農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況與光照有著密切的關(guān)系，農(nóng)作物白天通過(guò)吸收CO2進(jìn)行光合作用排除氧氣，而在晚上吸收氧氣排除CO2，在陰天光照較弱需要補(bǔ)充光照。本文使用光敏電阻檢測(cè)溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度，光敏電阻的阻值根據(jù)光照強(qiáng)度的變化而變化。有光時(shí)，阻值小;無(wú)光時(shí)，阻值大。將檢測(cè)的電流值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給STM32。CO2是影響農(nóng)作物光合作用的重要因子，充足的CO2能促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，抑制病蟲(chóng)害。本文使用TGS4160［16］傳感器檢測(cè)CO2的濃度，并將檢測(cè)到的濃度信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給STM32處理。TGS4160檢測(cè)到CO2時(shí)便會(huì)發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng):Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2通過(guò)檢測(cè)正負(fù)極間的電勢(shì)差就可計(jì)算出CO2的濃度。本文執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)STM32控制繼電器來(lái)控制風(fēng)扇、噴淋管、加熱器和CO2容器電磁閥等。將STM32相應(yīng)管腳作為光電耦合器的輸入端，當(dāng)光電耦合器電壓超過(guò)3V時(shí)，就會(huì)執(zhí)行對(duì)風(fēng)扇、噴淋管、加熱器和CO2容器電磁閥的控制。當(dāng)檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)時(shí)，STM32輸出高電平，相關(guān)設(shè)備就會(huì)停止運(yùn)行。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)采集，WiFi模塊的數(shù)據(jù)傳送和主控制模塊的指令發(fā)送。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)，系統(tǒng)將向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警信息，若報(bào)警信息沒(méi)有被解除，系統(tǒng)將向以一定的頻率持續(xù)發(fā)送。軟件系統(tǒng)主程序流程，如圖3所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的流程，如圖4所示。在讀取多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，按照溫度、濕度、光照和CO2濃度的次序逐一進(jìn)行掃描直至獲取到所有信息。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可存儲(chǔ)用戶(hù)的歷史記錄和檢測(cè)模塊的歷史數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測(cè)試

本文按照系統(tǒng)的組成分別進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)和組裝調(diào)試，并安裝到實(shí)際的溫室大棚內(nèi)測(cè)試與應(yīng)用。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便，能實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。同時(shí)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，開(kāi)發(fā)PC機(jī)軟件接收WiFi發(fā)送的信息，并根據(jù)環(huán)境情況調(diào)節(jié)溫室環(huán)境。圖5是上位機(jī)軟件運(yùn)行的實(shí)際效果圖，從圖中可以看出，此時(shí)檢測(cè)到溫室大棚1和2的環(huán)境信息分別為:溫度為30.9℃和31.2℃，濕度為61.2%和55.85，CO2濃度為869ppm和756ppm。該系統(tǒng)也能調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的信息，查看一段時(shí)間溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度的實(shí)時(shí)變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，1號(hào)大棚的溫度、濕度和CO2濃度的變化情況，方便用戶(hù)掌握溫室環(huán)境的變化情況，并作出相應(yīng)的決策。

5結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)使用WiFi作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，用戶(hù)可遠(yuǎn)程查看和調(diào)節(jié)溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況。該系統(tǒng)使用STM32作為主控制器將傳感器檢測(cè)的溫室光照強(qiáng)度、溫濕度和二氧化碳濃度等信息，經(jīng)由WiFi模塊將采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程PC機(jī)，PC機(jī)對(duì)獲取到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。而管理者既可遠(yuǎn)程查看溫室作物的生長(zhǎng)情況和環(huán)境信息，也可以發(fā)送指令控制天窗、灑水器、降溫除濕器、升溫加濕器和CO2發(fā)生器等遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境。經(jīng)過(guò)軟硬件測(cè)試表明，本系統(tǒng)測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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作者:羅瑞雪 單位:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院