基于开源鸿蒙操作系统的物联网温室大棚控制系统

摘 要：为解决传统农业大棚产能效率低、稳定性不足及智能化程度低等问题，设计了一套基于开源鸿蒙操作系统的物联网温室大棚控制系统。该系统集成物联网技术，依托各类传感器和嵌入式设备，以采集大棚生长环境数据；将采集的数据通过腾讯云传输到微信小程序，进行实时监测并存储；通过对比标准生长环境参数与实时生长环境参数，执行自动灌溉、调光、加热、通风等操作，以调节大棚内部环境。实验结果表明：该系统能远程监测和控制温室大棚内部的环境，使农作物在适宜的环境中生长。通过温室大棚的自动化控制，为物联网农业的发展提供参考。

关键词：物联网；实时监测；腾讯云；数据库；MQTT；开源鸿蒙操作系统

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）04-0-05

0 引 言

随着物联网信息技术的迅速发展，我国农业生产正朝着数字化、精确化和智能化的方向转变。作为农业生产大国，农业在我国的经济发展中起着不可替代的作用[1]。然而，现有的农业大棚种植大多仍采用传统的种植方式。该方法智能化程度低，严重依赖人力操作，使种植者无法准确获取农作物的实时数据，难以进行科学管理。因此，国内亟需推动农业大棚种植的升级转型。文献[2]基于ZigBee设计了一种智能农业大棚系统，能够满足系统的稳定性和测量精度要求，但是历史测量数据不能存储于数据库中，因此无法根据历史环境数据分析环境对农作物产生的影响。文献[3]基于雾计算设计了一种温室智能感控系统，提升了大棚的自适应调节能力。文献[4]基于NB-IoT无线通信技术设计了一种农作物大棚检测系统，文献[5]基于LoRa设计了一种温室大棚监控系统。这两种系统均对大棚中的数据进行采集处理，但是没有涉及移动端的设计。因此，本文采用具有协议简洁、 可扩展性强、速度快、实时性好等特点的MQTT传输协议[6]和腾讯云平台，设计了基于OpenHarmony的物联网温室大棚控制系统，并且以微信小程序作为移动端，对环境进行实时监测，并采集大棚内的数据[7]。该系统能够提供准确的农作物生长数据，最大程度满足农作物的生长需求。物联网温室大棚控制系统的应用将为农业生产带来巨大的改变和提升。

1 系统总体设计

物联网温室大棚控制系统基于OpenHarmony操作系统，采用WiFi作为无线数据通信方式。系统由智能传感器、嵌入式设备、摄像设备和微信小程序组成。在该系统中，Hi3861微处理器扮演环境主控板的角色，通过与各传感节点建立数据通信连接，实现了对大棚生长环境数据的高效采集。该微处理器充当网络传输总节点的角色，负责将采集的数据传送至腾讯云数据库，并通过微信小程序显示。这一系统架构能够准确采集和便捷展示农作物生长环境数据，为用户提供全面的监测与管理功能。同时，Hi3861还负责处理各传感节点采集的数据、云服务器下发的天气信息和摄像设备拍摄的农作物影像。系统根据这些数据，针对大棚中发生的环境变化和病虫害，采取相应的措施。此外，Hi3861还可分析大棚中农作物的生长情况，并营造最适合当前农作物生长的环境。系统网络结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 供电模块设计

该系统采用交流220 V电源和太阳能辅助电源供电。交流220 V电源是系统主要的供电来源，但由于温室大棚通常位于供电系统薄弱的郊区，而系统的稳定性受恶劣天气的影响较大，因此大幅增加了断电的概率。为了弥补断电时大棚无法用电的缺陷，系统引入了太阳能蓄电池辅助供电。系统通过对太阳能转化后的电能的收集和储存，使得大棚在外部断电的情况下也能够保持稳定运行。此外，系统还配备了GSM模块，能够向管理人员发送短信，提醒其及时采取应对措施。

2.2 传感器模块选型

环境数据采集模块主要通过各类传感器收集大棚中的环境数据，包括空气温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳体积分数、土壤湿度和pH等[8]，这些环境参数对于农作物的生长有着重要的影响。传感器模块原理如图2所示[9]。

选用SHT30温湿度传感器进行空气温湿度检测。该传感器温度测量精度可达±0.3 ℃，支持I2C通信，测量误差小，功耗低，稳定可靠。

选用SGP30二氧化碳传感器监测二氧化碳体积分数。该传感器内部集成了4个气体传感元件，可以完全校准空气质量输出信号，具有计算准确、反应灵敏和性能稳定等特点，且内置稳压芯片，通过提供的I2C通信接口，可准确获取大棚内的二氧化碳体积分数。

选用土壤综合传感器检测土壤湿度。该传感器支持12～24 V的工作电压，提供RS 485总线接口，采用电磁式非接触测量方式，具有强稳定性、长寿命和高精度等特点，可准确获取土壤湿度。

选用GY-20数字型光照强度传感器模块检测光照强度。该模块采用BH1750FVI芯片，支持3～5 V工作电压，提供I2C总线接口，内置16 bit A/D转换器，拥有接近于视觉灵敏度的分光特性，光照强度检测精度[10]可达±1 lx。

2.3 主控模块设计

主控模块的主要功能是控制下发指令和上传采集模块采集的环境数据。环境主控板采用Hi3861微处理器。Hi3861是海思技术有限公司出品的一款物联网芯片，具有低功耗、高集成度等特点。它集成了WiFi和蓝牙功能，支持WiFi 802.11b/g/n标准和蓝牙4.2标准，可通过AT指令配置MQTT协议与腾讯云平台连接。Hi3861功能如图3所示。

在该设计中采用RS 485和I2C通信相结合的方式连接主控制器Hi3861和传感器模块。传感器模块将采集的环境数据转换为数字数据后，通过I2C总线和RS 485总线将数据传输到主控制器Hi3861中；主控制器Hi3861将传感器采集的数据进行处理并上传到腾讯云服务器。传感器连接电路如图4所示。

2.4 开源鸿蒙操作系统

OpenHarmony是由华为技术有限公司出品的操作系统，旨在满足物联网、人工智能等新兴技术领域的需求。它采用微内核设计和分布式架构，使得硬件资源可以根据需求动态分配，提高了系统整体的灵活性和响应速度。OpenHarmony操作系统具有模块化的特点，允许开发者根据实际需求选择使用部分或全部组件，便于定制化开发。这为物联网温室大棚设计提供了极大的便利。此外，OpenHarmony注重安全性，内置了多种安全防护措施，如访问控制、权限管理、加密通信等，能够确保大棚数据的安全。

2.5 环境控制模块设计

Hi3861环境主控板承担着对加热器、通风扇、滴灌系统以及调光膜等设备的控制任务。摄像模块负责捕捉农作物影像数据，随后将数据传输至腾讯云服务器。在云服务器上对农作物的影像数据进行处理，以识别当前作物所处的生长期。云服务器根据数据库中存储的农作物各个时期最适生长环境数据，确定当前生长期的最适生长环境参数，并将其下发至环境主控板。

环境主控板收到云服务器下发的最适生长环境参数后，及时调节大棚中各类设备，以确保农作物在理想的生长条件下生长。同时，大棚管理人员可以通过微信小程序实时监测大棚内部环境和控制大棚内各种设备的运行状态。他们还有权修改云服务器下发到环境主控板的农作物生长环境参数，以便根据实际情况进行灵活调整。

通过这一系统，大棚实现了自动控制的最优生产方式。这种智能化的农业管理系统不仅提高了生产效率，还为用户提供了更便捷、更精准的生产管理手段。

3 系统软件设计

系统软件主要包括主程序和环境采样程序，即空气温湿度采样程序、二氧化碳体积分数采样程序、光照强度采样程序、土壤湿度采样程序、网络通信程序和各设备控制程序。

3.1 系统主程序设计

系统选用华为海思出品的DevEco作为开发环境，采用C语言作为编程语言。系统上电后，对各模块进行初始化，并连接大棚内WiFi。连接成功后，Hi3861等时间间隔驱动各传感器采集并处理环境数据，根据云平台下发的农作物最适生长环境参数来控制各设备。同时，Hi3861将环境数据上传至腾讯云。成功上传后用户可在微信小程序上查看。主程序流程如图5所示。

3.2 农作物识别算法设计

农作物在生长过程中会受到外界因素的影响，可能导致农作物产生各种疾病，使得农作物产量降低，对以农业为基础的经济造成影响。为能够及早诊断农作物病害，使农民能够及时采取应对措施，避免进一步损失，本文设计了一种基于卷积神经网络的农作物病虫害识别方法，并搭建了农作物病虫害识别软件平台[11]。

获取数据集，选择YOLOv5s作为检测网络，并引入k-Means++获取目标框，使得检测结果更加贴合叶片的实际情况，同时降低网络模型负担，使模型轻量化；优化C3模块，将Neck模块中的PANet改为BiFPN；选择Inception-ResNet-v2模型进行病虫害识别，保证对于多种叶片病害具有较好的识别效果；引入SENet注意力机制改进网络模型，提升病虫害种类识别准确度。

4 腾讯云平台搭建

腾讯云平台是腾讯计算机系统有限公司为广大开发者提供的云平台。在微信开发者工具中，创建产品和设备，以密钥方式认证。使用MQTT协议完成硬件平台与客户端的通信，利用微信小程序提高用户使用的便捷性。以腾讯云平台为媒介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，云平台自动为订阅设备推送消息。

注册微信小程序账号，登录微信小程序后，在微信开发者工具中进行相关开发。完成密钥认证后，配置当前环境。微信小程序登录界面如图6所示。

5 系统调试

在调试过程中，温室大棚管理系统可以正常工作。在微信小程序界面输入账号和密码，即可进入设备管理界面。界面利用卡片形式展现，各卡片分别代表棚内各项环境参数，下方3个开关分别控制加热扇、通风扇和水泵的开启与关闭。微信小程序界面如图7所示。

测试系统的环境自动调节性能。在测试过程中，每间隔2 h监测1次。测试后得到的空气温湿度、土壤湿度和光照强度数据分别见表1～表4。

从测得的数据分析可知，空气温湿度、土壤湿度和光照强度的平均误差分别为±2.24 ℃、±4.82%、±2.82%和±37.4 lx。由此可知，系统的测量精度及数据完整性能够确保物联网温室大棚正常运行。

6 结 语

本文设计的基于OpenHarmony的物联网温室大棚控制系统完成了数据采集、数据库存储、远程监控、环境参数自动调节等功能，满足了大棚的种植要求。用户可以随时在微信小程序上查看大棚当前的环境状况，并查看各环境调控设备的运行状态。系统可以直接控制各个环境设备运行，为农作物营造良好的生长环境。该系统不仅节约了资源，提高了产能，还顺应了万物互联的发展趋势，为农业生产提供智能化、精准化、可视化保障。

参考文献

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[2]张明月，贺福强，李思佳，等.基于STM32的智能农业大棚系统设计[J].热带农业工程，2021，45（1）：7-11.

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[4]吴雪雪.基于NB-IoT的农作物大棚监测系统研究[J].农机化研究，2023，45（11）：122-126.

[5]过琦芳，王永星.基于LoRa的温室大棚监控系统云平台应用实现[J].农机化研究，2022，44（6）：219-224.

[6]梁志勋，施运应，覃有燎，等.基于MQTT协议的智慧农业大棚测控系统研究[J].北方园艺，2020（23）：161-171.

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[11]张倩.基于深度卷积神经网络的常见农作物病虫害识别方法研究与实现[D].沈阳：沈阳理工大学，2023.