基于物联网技术的温室大棚环境监测与控制系统模块化设计

杨 明，杨建国，宋 杨，强承魁

（徐州生物工程职业技术学院，江苏 徐州 221006）

0 引 言

农业大棚是设施农业的重要组成部分，也是我国农业发展的重点之一[1]，是推动农业科技与传统农业相结合、带动农业转型升级的最直接表现形式。温室大棚作为设施农业中应用最广的产品， 目前，中小型温室的环境检测与控制系统产品，多为国内厂家提供，检测与控制技术主要基于ZigBee、DS18B20、PLC以及单片机等。这些产品虽然能够满足温室大棚的环境监测与控制要求，但产品的标准化、模块化、通用化尚不够理想，成本较高。

为了实现温室大棚的环境智能检测与控制，使大棚内的作物正常生长，必须对棚内环境，如CO2浓度、光照度、空气和土壤的温湿度等要素进行实时监控[2-3]，满足作物生长需求。由于不同的作物对生长环境要求不同，或者用户对监测要素的特别需要，如何在监控系统设计环节灵活调整环境监控要素，在降低设计难度的同时，又便于用户的使用和维护，为此开发研制一套基于物联网技术的环境自动检测和控制装置，实现温室大棚的环境监测与自动控制。

1 整体方案设计

系统依托传感器技术、远程控制技术以及传统的温室大棚作物生产工艺，针对温室大棚基本环境正常有效运转的控制要求，而设计的具有较高可靠性、安全性以及可扩展性的远程监控与管理系统[4-7]，主要包括：温室大棚土壤湿度监测与控制模块、温室大棚温湿度监测与控制模块、温室大棚CO2浓度监测与控制模块、温室大棚光照度监测与控制模块。

系统主要采用最新的工业级传感器采集信息，利用RS 485通信将变送器输出的信号和PC连接，以实时显示环境信息。同时将变送器输出的4～20 mA电流放大后，自动控制相关负载工作，使环境参数符合规定要求。本项目还采用远程控制技术（基于WiFi技术），必要时远程控制负载工作。当环境参数超出规定的数值时，同时还具备短信报警功能（基于GSM技术）。

系统硬件采用环境适应力强的模块化产品，故障少，维护方便，操作简单，经济性好；软件立足自主开发，界面简练清晰，便于用户操作[8-9]。同时，该系统紧紧抓住作物生长的关键指标进行监测与控制，简化了监控对象，加上模块化的产品组装，简单的用户培训，都使产品成本降低。

2 技术方案

温室大棚内作物生长的环境要素主要有：CO2浓度、PM2.5浓度、光照度、空气和土壤的温湿度以及土壤的养分含量（如氮、磷、钾）等。为了便于开展模块化监控系统的设计，选择了作物生长最基本的四个要素：土壤的湿度、CO2浓度、光照度和空气温湿度展开设计。系统的环境信息采集、处理、输出和控制原理如图1所示。

图1 温室大棚环境检测与控制系统模块化工作原理

图中，温室大棚作物生长的基本环境数据，通过土壤水分变送器、CO2变送器、光照度变送器和空气温湿度变送器负责采集，采集到的信息通过变送后，分两路信号向外输出，一路数据经RS 485总线传输，并由RS 485转RS 232模块（或USB模块）与PC相连，通过相应的软件实时显示温室大棚内的环境信息；另一路数据变送为4～20 mA标准电流，输入到智能变送仪，去控制其自带的继电器（负载较大时需外接继电器或接触器）常开或常闭触点，来自动控制相应负载的工作状态，进行浇灌、喷淋、补光或施肥等操作。同时智能变送仪上继电器触点的通断也会触发短信报警功能。WiFi模块的作用是通过手机APP软件远程控制负载的工作。

由图1模块化设计的温室大棚环境监控系统原理可以看出，本系统是基于物联网技术，依托传感器技术、计算机技术和远程控制技术，并可以根据作物对生长环境的要求或用户对监测要素的特别需要，而设计的模块化以及可扩展的在线监控与管理系统。

3 模块化温室大棚环境监测与控制系统电路设计

按照模块化设计的温室大棚环境监测与控制系统的工作原理图，即可展开系统的诸模块电路设计，包括电源模块、变送器信号传输和设备控制模块、WiFi远程控制模块、短信报警模块以及继电器控制模块等，选用的变送器均为国内某知名厂家的产品。

3.1 电源模块设计

如图2所示，系统的电源采用体积小、功耗低和稳压范围宽的开关电源模块，输入电压为AC 220 V，输出电压为DC 12 V，可以向系统的子模块提供稳定的直流电源。

图2 电源模块接线图

3.2 变送器信号传输和设备控制模块化设计

图3为土壤水分监测与控制模块电路，图4为继电器控制模块电路。图3中的土壤水分变送器选用国内某知名厂家的产品，该土壤水分变送器的性能具有精度高、响应快、输出稳定和受土壤含盐量影响较小等特点，适用于各种土质，可长期埋入土壤中。智能变送器型号为XMT604B，工作电压为AC/DC 85～260 V，继电器触点允许通过的最大电流为0.3 A。经过实际应用，本系统选用了智能变送器控制负载工作，而非一体式工控模块，原因是智能变送器呈现了测量精度高、工作可靠和输出信号稳定等优点，避免了一体式工控模块出现的多点输出信号易干扰、控制负载不稳定等缺点。

图3 土壤水分监测与控制模块电路

自动浇灌的工作过程为：土壤水分变送器采集到的信息分两路信号向外输出，一路输出RS 485信号，经过RS 485总线传输至PC（PC上若不带RS 485接口，可以通过RS 232模块或USB模块转接到PC），配合厂家提供的监测软件，实时显示土壤的水分状态；另一路0～20 mA模拟信号输出到智能变送仪1，模拟信号经过变送后，控制智能变送仪自带的继电器K21动作，即当土壤缺水时，变送仪输出的电流变小，当低于变送仪设置的下限时，继电器K21得电，K21常开触点闭合。由图4可知，中间继电器K1得电，K1的常开触点闭合，水泵电机开始工作，实现了自动浇灌。当土壤水分增加时，变送仪输出的电流变大，超过变送仪设置的上限时，继电器K21失电，K21常开触点打开，中间继电器K1失电，K1的常开触点打开，水泵电机停止工作，浇灌自动结束。

图4 继电器控制模块电路

图5为CO2浓度监测与控制模块电路图，与图3的自动浇灌模块电路图对比可知，由于采用了模块化电路设计方案，虽然变送模块不同，但其信号的输出、放大，信息的显示以及负载的控制等，电路工作模式是相同的。其工作过程为：CO2变送器采集到的信息分两路信号向外输出，一路输出RS 485信号，经过RS 485总线传输至PC，实时显示温室大棚的CO2浓度；另一路0～20 mA模拟信号输出到智能变送仪2，当温室内CO2浓度降低时，CO2变送器输出的电流变小，当低于变送仪2设置的下限时，变送仪2自带的继电器K22得电，K22常开触点闭合。由图4可知，中间继电器K2得电，K2的常开触点闭合，CO2发生器开始工作，温室内CO2浓度增加，实现了CO2自动施肥。当温室内CO2浓度增加时，变送仪2输出的电流变大，超过其设置的上限时，继电器K22失电，K22常开触点打开，中间继电器K2失电，K2的常开触点打开，CO2发生器停止工作，CO2自动施肥结束。

同理，在实际应用时，还可以依据作物对生长环境的需求或用户的需要，增加其他种类的传感器变送模块。比如温室大棚光照度监测与控制模块以及空气温湿度监测与控制模块等，并按照模块化电路的设计原理来设计电路，即可实现不同的环境监测与控制功能，如图6和图7所示。

3.3 WiFi模块电路设计

水泵电机还可以通过WiFi模块实现远程控制负载工作，如图8所示。首先在手机上安装APP软件（本系统采用了开放的物联网云平台—易微联），与WiFi模块配对成功后，通过手机端就可以远程控制负载的工作。例如在易微联APP软件上打开水泵开关，WiFi模块上的K11开关闭合，从图3可以看到，当K11闭合后，水泵开始工作，从而实现了远程控制。其余负载的远程控制工作过程与此相同。

图5 CO2浓度监测与控制模块电路

图6 光照度监测与控制模块电路

图7 空气温湿度监测与控制模块电路

图8 WiFi远程控制模块电路

3.4 短信报警模块电路设计

图9为基于GPRS技术的短信报警模块电路，选用了可接收8个开关量信号的模块。当外界装置触发，信号发生变化时，通过短信报警模块向绑定的手机发出信号，以便用户获取相应的信息。该电路工作过程如下：当变送器检测的土壤水分、CO2浓度、光照度或大棚温湿度信号超限时，智能变送仪上的K21～K25上的常开触点动作，触发信号对应输入到短信报警模块的1～5接口，模块通过移动信号向用户发送事先录入的短信内容。本短信报警模块根据需要，也可联动控制外部设备，如报警器等。

图9 短信报警模块接线图

4 系统功能测试

该系统主要模块变送器型号及技术指标如下：

（1）CO2变送器型号为RS-CO2-N01（I20）-2，CO2浓度测量范围为0～5 000 ppm，精度为±（40 ppm+3%F·S）（25 ℃）；测量环境的温度为-40～80 ℃，测量环境的湿度为0～100%RH。

（2）土壤水分变送器型号为RS-WS-N01（I20）-TR。变送器测量范围为0～100%RH（相对湿度），水分精度为±3%，存储环境为-40～80 ℃。

（3）光照度变送器型号为 RS-GZ-N01（I20）-02；光照度量程为0～2×105Lux（25 ℃）；精度为±7%（25 ℃）；测量环境温度为-20～60 ℃；测量环境湿度为0～80%RH。

（4）空气温湿度变送器型号为RS-WS-N01（I20）-SMGFL；温度测量范围为-40～80 ℃，温度精度为±0.5 ℃；湿度测量范围为0～100%RH，湿度精度为±3%RH。

根据温室大棚环境特点及各主要模块技术指标参数，系统功能测试地点选择学院琴湖果蔬大棚，本次测试内容为实时采集大棚内的空气温湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度以及光照度等数据，数据采集时间为2019年10月12日，并上报至管理控制平台。

经测试，由于中东部地区10月份天气以晴朗为主，温度和土壤湿度变化不大，但是由于昼夜交替，CO2浓度随着光照影响发生变化。数据表明，在11：00左右CO2浓度降至谷底，18：00以后，CO2浓度回升，系统参数设置CO2浓度为750 ppm时，系统自动开启，浓度达到1 000 ppm时，系统自动关闭；光照度设置为1 500 Lux时系统自动开启，光照度达到3 500 Lux时自动关闭。通过数据测试，监测终端能够稳定采集数据，检测平台能够实现对数据的实时显示并及时开启响应设备。系统功能完备，工作稳定性较好。

5 结 语

借助物联网技术，依据模块化的电路设计方法来设计的温室大棚环境监测与自动控制系统，可以按照用户及作物生长的需要，合理选择环境监控要素，诸如空气温湿度、光照度、土壤水分湿度以及二氧化碳浓度等参数，灵活设计电路。模块化的电路设计方法，在保证实时获取温室环境信息、负载（浇灌、通风换气、加温、补光等）的自动和远程控制以及短信报警等功能的同时，也实现了温室大棚环境的网络化管理，减轻了设计人员的工作负担，降低了用户成本，并为以后的产品制造、安装和维护带来了方便，提高了经济效益。