基于云平台的温室大棚管理系统*

邹 彬， 董军堂,2， 杨延宁,2， 李 雪， 李蓓茹

(1.延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000；2.陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000)

0 引 言

温棚在我国起步较晚，20世纪60年代才开始出现简单的塑料大棚，目前大多数大棚种植还处于人工监管的阶段。人工管理温棚存在效率低下，耗费人力，不能及时掌握温棚的实时状况等问题，并且需要工作人员有丰富的工作经验，还不能保证产品的质量。目前市面上虽有一些大棚监测系统，但大多存在监测不全面、实时性不高和布线繁琐等弊端[1]。随着物联网和云计算等技术的出现与发展，结合成熟的移动通信技术，本文提出了一种基于云平台的温室大棚管理系统，以嵌入式ARM处理器STM32F103RCT6为控制器，通过4G通信技术实现系统与OneNet平台的数据交换，从而避免了系统布线作业[2]。客户通过App实现了更为直观的人机交互，必要时还可通过App直接控制终端设备，有效地解决了目前温室大棚所存在的一些问题[3,4]。

1 系统方案设计

温室大棚管理系统主要由数据采集模块、主控与通信模块、OneNet云平台、执行模块组成。采集模块选用了环境温湿度传感器、土壤湿度传感器、CO2浓度传感器和光照强度传感器，同时使用摄像头获取温棚内农作物生长情况信息。STM32F103RCT6对采集结果进行分析、处理，自动模式下，可直接驱动通风机、加热器、LED补光灯、电磁阀等执行设备工作，调整棚内环境。利用ML302 4G通信模块配合MQTT协议接入OneNet云平台，完成与客户端的数据交换。通过在OneNet平台创建应用设备，农户可通过手机App实时查看棚内各项环境指标，必要时也可直接通过应用界面进行远程控制[5]。

2 系统硬件设计

2.1 采集模块电路设计

采集模块通过各传感器模块以及摄像头分别对温棚内空气温湿度、CO2浓度、土壤湿度、光照强度、农作物状态等数据进行采集[6]。

环境温湿度检测选用GY—SHT30—D数字温湿度传感器，温度测量精度可达±0.3 ℃，支持I2C通讯，测量误差小，稳定性较好，可有效检测温棚内的温湿度值。

CO2浓度检测选用高性能MH—Z19B CO2检测传感器模块，利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CO2进行检测，具有检测灵敏度高、功耗低、抗水气干扰能力强、良好的选择性、无氧气依赖、寿命长等特点。内置温度补偿，可实现全温范围精准测量，采用串口接口与控制器连接，使用方便，稳定可靠。

土壤湿度检测选用电容式土壤湿度传感器，避免了电阻式传感器易被腐蚀的弊端，工作寿命延长，且内置稳压芯片，支持3.3～5.5 V宽工作电压，可准确获取土壤湿度[7]。

光照强度检测选用GY—302数字型光强度传感器模块，该模块采用BH1750FVI芯片，工作在3～5 V电压下，提供I2C总线接口，内置16 bit A/D转换器，接近于视觉灵敏度的分光特性，精度可达±1 Lux。

视频图像采集选用百万高清CMOS传感器的OV2640摄像头模块，具有对灵敏度、曝光度、白平衡、色度、饱和度、对比度等众多参数的设置功能，支持JPEG/RGB565格式输出。采集模块电路设计如图1所示。

图1 采集模块电路设计

2.2 主控与通信模块设计

主控与通信模块的主要功能是控制下发指令和上传采集模块输入的环境数据。选用STM32F103RCT6作为主控制器，它是基于ARM公司Cortex—M3内核的MCU，一次可处理32 bit数据，最大时钟频率可达72 MHz，处理速度快，片内资源丰富，有256K字节 FLASH，48K字节RAM，片上集成有16个A/D通道，有多个I2C，UART接口，方便外围设备接入，工作在3.3 V电压下，可满足低功耗要求[8]；选用中国移动最新推出的ML302 4G模组作为数据传输模块，供电电压在3.3～4.3 V，内部集成有MQTT协议，可通过AT指令配置MQTT协议与OneNet云平台进行连接。主控与通信模块原理图如图2所示。

图2 主控与通信模块原理

2.3 执行模块设计

执行模块主要负责对温棚内环境参数的调节，通过继电器实现对LED补光灯、加热器、通风机、电磁阀等设备的控制，继电器模块选用SRD—05VDC—SL—C型5 V 低电平触发继电器模块。执行模块电路如图3所示。

图3 执行模块电路

3 OneNet云平台搭建

OneNet云平台是中国移动为广大开发者提供的免费云平台，在开发者中心创建产品，然后添加设备，选择移动蜂窝网络联网方式，选择MQTTS协议接入设备。设备添加完成后，创建设备数据流模板，最后创建应用设备，通过向应用设备添加数据流模板即可在应用界面实时查看棚内环境状况[9]。以云平台为媒介可将硬件平台与客户端联系起来，硬件平台和客户端可通过云平台订阅主题，当有数据上传或者命令下发时，云平台自动对订阅设备进行消息推送[10]。

4 系统软件设计

系统软件包括系统主程序和各功能子程序：环境温湿度采集子程序、CO2浓度采集子程序、光照强度采集子程序、土壤湿度采集子程序、摄像头监控子程序、ML302连接OneNet云平台子程序和各设备控制子程序。

4.1 系统主程序设计

系统选用Keil 公司开发的 uVision5作为开发环境，采用C语言进行模块化编程。系统上电后，先对各模块初始化，并尝试与云平台进行连接，连接成功后语音提示，此时微处理器再对各个传感器和摄像头采集的数据进行处理，自动模式下通过PID程序精确控制执行模块，同时ML302将数据上传至云平台，成功上传后农户可在App上查看[11]。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

4.2 PID控制算法

为了提高系统的控制精度和稳定性，在自动模式下需要对设备进行控制时，引入了PID控制算法。首先设定好温棚内各项环境参数指标，然后通过PID控制器调节执行模块的设备工作状态，使各项环境参数保持在设定的误差范围内，可有效解决温棚内环境控制系统面临的滞后性和大幅度震荡等问题，提高了控制系统的稳定性，实现棚内环境快速、准确调节[12]。PID算法原理框图如图5所示。

图5 PID算法原理框图

5 系统调试与测试

通过调试可知，引入PID算法，可以更快、更稳地调节棚内各项环境参数。以温度调节为例，通过数据对比发现，当环境温度为17 ℃，设定温棚内温度为25 ℃时，比例参数在1.3附近、积分参数在0.1附近、微分参数在0.01附近，温度调控响应快，系统平稳，可有效克服温度传递具有滞后性的问题。PID参数与调控效果对照如表1所示。

表1 PID参数与调控效果对照

通过调试后，温室大棚管理系统可以正常工作，手机下载OneNet设备云App，点击下方应用，选择温室大棚管理系统，即可进入OneNet云平台设备管理界面。界面第一行五个折线分别代表棚内各项环境参数历史数据；第二行五个表盘分别代表棚内当前各项环境参数的实际值；最下面一行五个开关分别控制每个执行端设备的开启与关闭；最后还可通过摄像头查看棚内整体情况。管理系统界面如图6所示。

图6 管理系统界面

6 结束语

基于云平台的温室大棚管理系统结合最新的技术手段，为现代大棚种植、管理提供了一种新的实现途径，可以满足当前大棚种植的需求。农户随时随地可通过手机App方便地查看棚内环境状况，必要时还可通过客户端直接控制相应设备动作，以保持温棚内各项环境参数适合农作物生长。设计系统可替代传统人工管理，操作方便，管理灵活，可以实现温室大棚的远程管理。