基于物联网的蔬菜大棚监控系统设计

刘博 周华平

一、研究背景及意义

大棚蔬菜对生长环境的要求很高，大棚内的温度、湿度、光照、CO2浓度等条件都不同程度地影响着蔬菜的生长，管理好蔬菜大棚是一项异常繁琐的工作，农户除了要有一定的种植技术，还需要随时了解大棚内的环境状况。当农户种植反季节蔬菜时，更需要全天候照看大棚蔬菜，由此造成人力资源的浪费，农户普遍收益不高。如何在降低投资的基础上，减少人力成本，完成蔬菜大棚的增值创收成为当前农户的迫切需求.物联网（Internet of Things，IoT）是具有标识、感知和智能处理能力，借助通信技术互连而成的网络，目的在于为人们提供智能服务，所以基于无线传感网络的蔬菜大棚监控系统必将减轻农民的负担，用科技的手段帮助农民致富，此系统具有很强的实用价值，可以迅速推广。

二、总体设计方案

（一）系统方案论证

该方案采用终端集成通信模块（ESP8266）+OneNet设备云平台的方法，是一个简单的二级简化系统，ESP8266是目前国内外比较流行的物联网通信模块，该模块内部通过一个32位ARM11内核和四兆的Flash存储器集成了无线数据通信转发和终端数据采集功能，ESP8266即可作为一个无线通信模块使用，同时又可作为一个MCU主控芯片，当做终端模塊使用。ESP8266在智能农业大棚的作用是将采集的室内土壤温湿度，光照强度等数据上传到云平台，此时OneNet负责接收数据存储，并将其转发给远程移动端。

方案闪光点：将终端采集模块与无线通信模块合二为一，与传统的物联网解决方案相比，省去了主控芯片，在OneNet设备云平台实现远程监控的界面不需要单独的开发，只需要在云平台上关联相关的数据流即可生成，OneNet官方提供手机APP版，我们只需在线登录手机打开APP，就可实现远程移动端监控。极大地缩短了开发周期，节约开发成本。

方案弊端：ESP8266集终端与网络通信于一体，因此其内部可用资源单调，同普通的单片机（MCU）相比，其外设I/O很少。方案如下图2-1所示。

（二）系统总体设计方案

基于ESP8266与OneNet设备云平台的智能蔬菜温室大棚远程监控系统的总体设计方案如图2-2所示：由于ESP8266的I/O资源有限，所以本方案把终端数据的采集与控制分为了两个部分，一块ESP8266用作传感器数据采集，其中室内温度范围在5～45摄氏度，空气干湿度可监测的范围在10～90%，土壤干湿度范围在0～100%，土壤温度范围在5～45摄氏度。在另一块ESP8266用作对执行器的控制。其中加热、排风。滴灌卷帘通过继电器控制，白炽灯和彩灯通过智能终端输出不同占空比的PWM波形经过驱动电路输出不同量程的电流来控制灯光的光照强度。控制终端采用个人PC机（台式机电脑或笔记本）和远程移动终端（手机、PAD等）实时在线监控。

三、系统实验验证及数据测试分析

通过在物联网实验室仿照大棚进行实验，观察光照和温湿度。用IAR Embedded Workbench for 8051开发环境中的运行程序按钮运行程序，如图3-1所示，用串行助手进行实时查看光照，如图3-2，光越暗采集的值越小。

对温度和湿度的监控结果如图3-3所示。

由实验室模拟大棚蔬菜实验，可观察到温度，湿度，光照等的变化，当传感节点检测到大棚出现光照变强，控制终端会采用卷帘控制，当检测到光照变弱，会自动采取灯光控制。当检测到温度变高，会采取排风控制，当检测到温度变低，会采取加热控制。

四、小结

本研究介绍了基于物联网技术的分布式蔬菜大棚监控系统，提高了农业种植的效率。这样的物联网自动化系统给农民带来了前所未有的便利，让他们只需要一部手机或电脑便能运筹帷幄，通过这智能管理，实现一个人轻松管理几个大棚，给农民创造更多的财富，解放农民的生产力。