基于物联网技术的温室大棚温湿度智能控制系统

蔡绍博蔡绍硕夏志波张军

1、长江大学园艺园林学院 2、武汉市春晓曲农业科技有限公司 3、青岛海纹智慧农业科技有限公司 4、武汉建春科技有限公司 5、武汉菜佰仟数字农业科技有限公司

为满足人们对生活质量的高要求，温室大棚数量不断增多。传统的温度控制是在温室大棚内安装温度计，通过人工读取的温度值来调节大棚内的温度。但人工控制既耗人力，又容易发生差错。近些年来，随着国内外物联网技术、5G 通信技术以及IPV6 的兴起，利用传感器以及传感网络等技术实现环境的智能监测已经成为大规模农业种植发展的主流。

1 温室大棚温湿度智能控制系统技术说明

基于物联网技术的温室大棚温湿度智能控制系统，主要运用了传感器环境检测技术、STM32 单片机技术、Lora 无线网络技术、云服务器技术以及Web 技术。终端通过温湿度传感器来检测温室大棚的环境温度，利用Lora 网络来实现终端节点与网关节点之间的多数据采集与传输，Lora 网关利用网络将数据发送到云平台，在云端进行环境数据的存储，用户终端通过Web网页和手机App 进行数据的访问，实时获取温室大棚的环境数据并通过发送指令进行调控。

本系统采用DHT11 温湿度传感器来测量温室大棚的温湿度，它的温度采集范围是-20℃～60℃，DHT11供电电压为3.3V～5.5V，通过单片机的供电模块进行供电。传感器是一种能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，利用物理效应、化学效应、生物效应，把被测的物理量、化学量、生物量等转换成符合需要的电量，传感器通过IO 口与单片机进行连接，将监测到的参数发送到单片机进行数据处理。

本系统的终端监测节点以STM32 单片机为核心，采用了嵌入式STM32F030C8T6，并将其作为系统的核心控制部件，是一款高性能的ARM Cortex-M0 32 位核心单片机，供电电压为3.3V。STM32 MCU 融高性能、实时性、数字信号处理、低功耗于一身，同时保持高集成度和开发简易的特点。

本系统的终端与网关节点之间采用Lora 无线传感网络进行数据的传输。Lora 为英文Long Rangge 的缩写，为低功耗广域网通信技术的一种，还能保持较大的通信距离。RS066 是一款半双工无线数据传输LoRa 模块，模块体积小，宽电压运行，具有接收灵敏度高、通讯距离远、抗干扰能力强等优点，通过IO 接口与STM32单片机进行连接。

本系统的网关节点与云服务器之间采用WiFi 通信模块和3G/4G 通信模块进行数据的传输。WiFi 模块选择的是 ATK ESP8266 模块，内置TCP/IP 协议栈；3G/4G 通信模块选择的是ZSD1410 DTU 模块，是一款使用7 模全网通模块进行无线数据传输的嵌入式终端，支持国内3 大运营商的所有网络，支持PPP、TCP、UDP、ICMP 等众多复杂网络协议和多SOCKET 接口。

2 温室大棚温湿度智能控制系统架构设计

2.1 总体方案设计

终端监测节点以STM32 单片机为核心，通过连接温湿度传感器来检测温室大棚内的环境温度和湿度，通过连接继电器来控制温湿度调控设备的开关。单片机通过代码进行控制，设置环境参数的阈值，当传感器检测到的参数达到阈值时会自动触发控制系统。终端节点与网关节点之间通过Lora 网络进行数据传输，采用LoraWAN 通信协议。网关节点以STM32 单片机为核心，通过搭载的WiFi 通信模块和3G/4G 通信模块实现与云端服务器的通信。云服务器采用One NET 云服务器，利用云端来存储终端环境的参数以及利用云端来转发终端控制指令。终端用户通过Web 网页或手机App 来访问云服务器，实时获取温室大棚的温湿度数据，利用网络来发送指令，实现温室大棚的温湿度智能控制。其中系统采用TLCD 液晶显示屏来进行数据的显示。LCD 具有高灵敏度和高线性的技术特性，可以满足控制系统在温室大棚内终端显示工作的需求，数据传输接口选用8 位并行总线模式，相比传统SPI 串口传输方式显示刷新频率更快，从而使得温室大棚内的数据能够及时向工作人员显现。系统架构设计分为终端监测节点设计、网关节点设计和用户终端设计三部分，如图1 所示，该系统具备温湿度监测、LCD 屏显示终端、自动控制、无线传输等功能。

图1 总体方案设计

2.2 终端节点设计

终端节点以单片机为核心，通过传感器来进行环境参数的采集，通过连接继电器来实现温室大棚的温湿度调控设备的开关，使用Lora 通信模块实现采集数据的无线传输，如图2 所示。单片机采用STM32 单片机，以STM32F030C8T6 作为系统的核心控制部件。STM32F030C8T6 芯片的单片机工作电压在3.3V～3.6V之间，通过电源模块对整个终端节点进行供电，摒弃传统的电源布线，让整个系统更加简洁。通过传感器模组来检测环境的参数，利用DHT11 传感器来检测温室大棚的温湿度，传感器通过IO 控制接口与单片机进行连接，通过AD 转换，将检测到的数据传输到单片机内核。通过继电器来连接温湿度调控设备来对温室大棚温湿度进行控制。通过对终端单片机进行代码的烧录，设置环境参数的阈值，当传感器监测到的环境参数与设定的阈值不匹配时，单片机对连接继电器的IO 口进行上电，以实现调控设备的开关。单片机获得温湿度数据之后，通过LCD 液晶屏进行数据的显示。代码通过时钟模块进行计时，每5s 触发一次环境参数的发送函数，通过Lora 通信模块实现数据的无线传输，使用Lora WAN 通信协议进行通信，实现多个终端节点向网关节点的数据传输。

图2 终端节点设计

2.3 网关节点设计

网关节点以单片机为核心，利用Lora 无线网络进行终端环境参数的采集，通过WiFi、3G/4G 网络将网关节点接收到的环境数据上传到云端。单片机采用STM32 单片机，以STM32F030C8T6 作为系统的核心控制部件，工作电压在3.3V～3.6V 之间，通过电源模块对整个网关节点进行供电。利用Lora 通信模块接收终端的环境参数，采用LoraWAN 通信协议，网关支持Lo-RaWAN 的 ClassA、ClassB*、ClassC 协 议 ， 支 持 Lo-RaWAN 网络协议的无线数据传输功能。通过Lora 通信模块接收来自终端节点的环境参数后，将数据发送到STM32F0 MCU 进行数据的处理。网关节点通过WiFi 通信模块和3G/4G 通信模块将环境数据上传到云端平台，WiFi 的 ATK ESP8266 模块，内置 TCP/IP 协议栈，通过路由器连接互联网；3G/4G 的ZSD1410 DTU模块，支持国内3 大运营商的所有网络。

2.4 远程控制节点

网关节点通过网络将数据上传到云端平台，在云端进行存储。云服务器采用OneNET 云服务器，与网关节点之间采用MQTT 通信协议，通过订阅或发布的模式，网关节点定时向云平台上传环境参数。采用B/S 和C/S 架构，用户通过PC 浏览器以及手机App 来访问云服务器，以实时获取网关节点的数据，并且通过网络实现远程控制，控制终端温湿度调控设备的开启。

3 温室大棚温湿度智能控制系统测试结果

测试过程主要有自动调节测试、Lora 通信测试。自动调节测试，使用模拟法来测试。通过人工改变环境参数，来测试终端节点是否会做出相应的调节。在模拟的环境下，通过人为改变环境的温湿度参数，并且在终端的单片机设置参数阈值，设定最适的温度为26℃、湿度为60%。根据测试结果可以发现在温度低于26℃时，终端节点会自动开启照明暖灯，直到温度达到26℃系统自动关闭；温度高于26℃时，终端节点会自动开启通风设备，直到温度达到26℃系统自动关闭；湿度低于60%时，终端节点会自动开启雾溉系统，直到湿度达到60%系统自动关闭；湿度高于60%时，终端节点会自动开启通风设备，直到湿度达到60%系统自动关闭。

在Lora 通信测试环境中，选取3 个Lora 终端节点和1 个Lora 网关节点，组成一个Lora 无线传感器网络，Lora 终端节点同时向Lora 网关节点发送数据，数据包大小设定为15 个字节，每个节点发送1000 次。根据测试结果分析，在通信距离小于1.5km 时，丢包率在5%以内，符合系统的要求。测试数据如表1 所示。

表1 Lora 通信测试数据结果

4 结语

通过对传感器技术、STM32 单片机、Lora 通信技术、云服务器技术以及Web 技术的研究，完成了这个基于物联网技术的温室大棚温湿度智能控制系统。本系统能够根据终端传感器检测到温室大棚的温湿度参数，自动对终端环境参数做出调控，并且利用Lora 无线网络来进行终端节点与网关节点之间的数据传输，相较于以往的有线传感网络来说本系统更加简洁，造价更加低廉。通过云服务器来进行数据的存储，采用B/S和C/S 架构，用户通过PC 浏览器以及手机App 来访问云服务器，实时获取网关节点的数据，能够实现用户的远端智能控制。本系统还能通过改变终端节点的检测传感器，来检测不同的终端环境参数，利用继电器来连接不同的环境调控设备，对获取的空间参数分级分层管理，能够实现更多的智能控制功能，足以证明该系统涵盖性高，采用的新方法、新思路不仅可以实现温室大棚环境参数的智能调节和远程操作，亦可广泛运用于其他环境。