基于物聯網的集群式蔬菜培育管理系統

? ?

基于物聯網的集群式蔬菜培育管理系統

摘要

本系統是一款基于STC12C5A60S2開發平臺，以GSM無線通信技術、傳感器技術、單片機技術、Labview技術等為基礎，并結合了PID算法的智能大棚控制系統。

系統由上位機信息處理和下位機信息采集兩大部分組成。其中下位機由GSM遠程控制模塊，大棚安防控制模塊，大棚實時狀態監測模塊，可視化界面模塊等模塊組成。利用傳感器技術將大棚內溫濕度，光照強度，CO2濃度信息進行實時數據采集并將這些數據通過24L01無線上傳。

上位機主要包括信息接收模塊和信息處理模塊，實現信息的存儲、查詢和校驗等功能。上位機還集成了蔬菜小助手等功能，蔬菜小助手可以查詢不同地區，不同蔬菜，不同生長階段對光照強度、溫度、濕度、CO2濃度的不同需求，指導用戶科學種植。

上位機通過對下位機傳感器采集的各種環境參數的分析，并結合蔬菜小助手里的專業農業知識，做出指令，通過多種方式對灌溉系統，調溫系統，補光系統，調濕系統進行控制創造出作物生長發育的環境條件，實現高產優質，高效的生產目標。

該系統在極大程度上降低了人工管理蔬菜系統的勞動強度避免了人工管理大棚專業程度不高，動作不及時等諸多弊端，保證了即使外界環境“電閃雷鳴”大棚內也“風調雨順”，本系統設計思路清晰，硬件結構簡單，系統穩定性好，成本低廉，能耗低，效率高，符合中國氣候復雜，經緯跨度大的市場前景。

關鍵詞：STC12C5A60S2單片機、PID、實時監測、遠程控制、GSM無線通訊、Labview.

第一章 ?緒論

隨著國家的改革開放，國民經濟的飛速發展，中國的現代化水平越來越高。然而作為一個設施園藝面積居世界之首的國家，我國的溫室大棚建設卻不容樂觀，縱觀我國現在的溫室大棚建設，整體水平還處于人工控制階段，人工控制具有專業化不高、勞動強度大、監控不及時、管理效率低等眾多問題。溫室大棚不僅關系到與老百姓生活息息相關的“菜籃子”工程，更關系到我國農業產業化經營和農業現代化的發展。傳統的、落后的、分散的、低效的溫室大棚生產經營不僅浪費人力、物力和土地資源，而且無法與國際接軌，參與國際市場競爭。因此我們務必要提高智能化在溫室大棚中的滲透率，加緊建設智能化蔬菜大棚系統的步伐。

面對巨大的國際競爭我國也加緊了對智能化農業的投入，并也取得了一些成果，但大都邏輯簡單，設備大型，先進性不夠，利用率低下。監控系統多以單因子為指標。例如范云翔等人研制的智能噴水控制器，雖然能根據外界的環境調節噴水量的大小，但功能單一。現在雖然有很多專家在研究多因子為指標實現大棚環境監測的課題。但都只是提出一個形而上學的概念，根本沒有成型的產品更沒有相應的科技產業化機構。在國內雖然在一些高科技示范園區能看到智能化蔬菜系統，但這些蔬菜大棚系統造價高，可移植性低，控制中心邏輯簡單，體積龐大。根本無法大面積推廣。

我們團隊在綜合考慮了現有的大棚系統存在的問題和溫室大棚的發展前景后設計出了智能蔬菜培育系統。本智能蔬菜培育系統的下位機通過傳感器監測系統采集大棚內的溫濕度，CO2濃度，光照強度，并將這些數據通過無線傳送給上位機，上位機對這些數據進行智能分析，并將分析結果與系統自帶的農業專家級蔬菜培育意見進行對比并轉換成不同的系統指令控制下位機各個模塊動作，如，監測到CO2濃度低是開啟CO2發生器。為解決管理大棚的人員專業化程度低的問題，我們的上位機特意集成了蔬菜小助手功能，通過這個小助手我們可以查到不同地區，不同蔬菜，不同生長階段的最佳生長環境參數，指導用戶合理栽培蔬菜。此外該系統擁有的天然雨水收集模塊和太陽能供電模塊不僅符合當代節約環境的主題，還進一步淡化了系統和大棚本身對外界環境的要求。同時考慮到大棚管理人員不能24小時在大棚內，本系統還集成了GSM遠程控制模塊，將系統接入網絡，方便用戶遠程控制大棚，如在下雨的晚上用戶可以通過手機發短信的方式開啟天然雨水收集模塊。

本系統以EXP-89S51單片機為控制核心，結合GSM無線通信技術、傳感器技術、紅外技術、Labview技術，主要對蔬菜大棚內的CO2濃度、光照強度、溫濕度進行有效、可靠的檢測與控制，并通過上位機對數據進行智能化處理，做出農業專家級別的響應。本系統具有檢測精度高、使用簡單、成本低和工作穩定，功耗低，利用率高，可移植性好，適合中國國土遼闊氣候復雜經緯跨度大的特點。

第二章 ?系統方案

通過實地考察和在網上查詢有關蔬菜大棚生產蔬菜的信息，并且對目前存在的蔬菜大棚工作的方式的分析，我們初步設計了系統功能框圖如圖1所示。

圖1系統功能框圖

基于上面的系統功能框圖我們為系統設計了三種工作模式：

工作模式1（默認工作模式）：

數據采集中心通過24L01無線將采集到的數據發送給數據分析與處理中心和電腦上位機，液晶顯示屏實時顯示當前環境狀況。在這種模式下用戶可以通過電腦上位機或紅外遙控來操作棚內的各個子系統的運行，如人工補光子系統，溫濕度調節子系統，CO2發生器等等。

工作模式2：

此工作模式下，系統功耗最低，用戶可以在可以任何有中國聯通移動電信的信號的地方通過發送短信控制大棚內的各個設備以及得到當前棚內的各個環境變量的當前值，并可以通過短信發送各個環境變量的目標值給系統，此工作模式下，用戶可以極其方便簡單的監控整個大棚。

工作模式3：

此工作模式下，大棚無需人為的操作，大棚可以實時測量當前環境變量的值，并與各環境變量的目標值進行比較，然后自動控制各個設備的開與關，如風扇，滴灌子模塊，人工補光子模塊，CO2發生器，直到當前各個環境參量穩定在各個環境參量的目標值。此工作模式下，節省了大量的人力、物力、財力。同時實現了蔬菜種植的全智能化。

這三種工作模式可以很方便的切換，用戶可以根據不同的需要通過紅外遙控近距離切換或手機遠程切換工作模式。

第三章 ?功能與指標

序號	功能名	模塊具體功能
01	安防功能	為防止惡意人員進入蔬菜大棚，用戶需要輸入正確密碼才能進入，當密碼輸入錯誤次數超過3次，報警器發聲，攝像頭自動啟動錄像，用戶可以通過電腦上位機查看相關錄像
02	蔬菜小助手	用戶可以通過蔬菜小助手查詢各種蔬菜的信息，如最佳生長環境（最佳溫濕度，光照強度等等），和生長習性（如每天需要的光照時間，施肥等等），并展示給用戶，為用戶種植蔬菜給出專業建議大大降低了蔬菜培育的難度和風險
03	液晶顯示屏	通過該可視化界面顯示屏精確測量溫濕度，光照強度，CO2濃度，并以數字和曲線形式同時顯示，讓用戶直觀了解到大棚內的環境變化趨勢，同時還可以在屏上直接為系統設置最佳參數（如最佳溫濕度等等），此外，通過該界面可直接控制大棚內的設備的運行狀態。如水泵、風扇、補光燈等的開啟。同時該界面還提供各類信息的查詢
04	太陽能供電功能	該模塊能夠把太陽能轉化為電能存儲在蓄電池里，當蓄電池里的電能足以為整個系統供電時，系統的電源管理部分會自動將供電部分從市電切換到太陽能電源部分，不僅節能，充分利用大自然資源，還增強了系統的環境適應性，使系統在停電時仍能正常運行
05	溫度PID調節	為精確控制溫度在最佳值附近，引入智能算法PID進行閉環控制，當溫度高于最佳值時，風扇運行，隨著溫度的降低，風扇的轉速也會發生相應改變，此方法不僅調節效果好，而且功耗也大大降低
06	上位機VI	上位機可以形象直觀的將各個環境變量如溫濕度，光照強度，CO2度以曲線形式實時準確顯示，并可以通過這些曲線分析大棚內的氣候變化趨勢，同時采取一些措施加以調節，如開關風扇，噴泉，燈光等等。此外，上位機還可以進行數據報表打印，為用戶查詢歷史數據提供了極大方便
07	GSM短信模塊	當用戶在異地時，可以通過GSM無線通訊，發送短信遠程控制大棚的各個設備，如風扇的開關，水霧的噴灑等等，也可短信接收當前大棚內的各個環境變量，如當前溫度，濕度，CO2濃度，光照強度等等
08	步進電機模塊	用來開關大棚的門和通風口
09	天然雨水收集模塊	為節約水資源，降低生產成本，當下雨的時候，把天然雨水收集起來，以備蔬菜在需要水的時候及時供給，因此也大大提高了灌溉效率和緩解了水資源日趨緊張的矛盾

第四章 ?實施原理及過程

4.1傳感器原理

4.1.1溫濕度傳感器SHT11

SHT11是一款高度集成的數字溫濕度傳感器，采用專利的CMOSens技術，可抵御來自外界的影響，即使將傳感器浸入到液體中也不會受到損害；此外，溫度傳感器與濕度傳感器結合在一起，使測量精度提高并且可以精確得出露點值，并且不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。該傳感器由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，并與1個14位A／D轉換器以及1個2-wire數字接口在單芯片中無縫結合，使得該產品具有功耗低、反應快、抗干擾能力強等優點。

SHT10的主要特點如下有：

相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；

全部校準，數字輸出；

接口簡單(2-wire)，響應速度快；

超低功耗，自動休眠；

出色的長期穩定性；

超小體積(表面貼裝)；

測濕精度±4．5 RH，測溫精度0．5 ℃(25℃)。

SHT10的兩線串行接口(bidirectional 2-wire)在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優化處理，其總線類似IIC總線但并不兼容IIC總線。

① 串行時鐘輸入(SCK)。SCK 引腳是MCU 與SHTIO之間通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。

② 串行數據(DATA)。DATA引腳是1個三態門，用于MCU與SHT10之間的數據傳輸。DATA的狀態在串行時鐘SCK的下降沿之后發生改變，在SCK的上升沿有效。在數據傳輸期間，當SCK為高電平時，DATA數據線上必須保持穩定狀態。為避免數據發生沖突，MCU應該驅動DATA使其處于低電平狀態，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。該傳感器的性能說明和相對濕度、溫度和露點的精度曲線如下圖所示：

4.1.1.2光照強度傳感器GY-30

GY-30是一款高度集成的數字光照強度傳感器，采用I2C接口（f/s模式支持），測量范圍廣（1-65535勒克斯），并且具備低電流關機功能，該傳感器的說明圖如下圖所示：

4.1.1.3二氧化碳傳感器TGS4161

TGS4161是一個新型的固體二氧化碳傳感器，它提供了小型化和低功耗，二氧化碳濃度測量范圍為350—10000ppm。二氧化碳的敏感元件是由兩個固態電解質組成，結合一個印制在基板上的RuO2加熱器，通過檢測兩個電極之間的電動勢的變化來測試二氧化碳氣體的濃度，此外傳感器電容的頂部含有沸石用來防止其他氣體（如乙醇）的干擾。TGS4161在讀數上ΔEMF（ElectroMotive Force:電動勢）和二氧化碳氣體濃度提供了對數上的線性關系。傳感器在高濕度的條件下顯示出了良好的長期穩定和優越的耐久性。其靈敏度特性圖如下圖所示：

4.2．GSM

系統使用的GSM模塊是雙頻900/1800MHZ高度集成的SIM900系列。SIM900A無線GSM通信模塊，集成了標準的RS232接口以及SIM卡，其最高頻率可達90MHz，片內4K以上FLASH程序存儲器，8K左右的片內EEROM ，512B-1208B片內RAM，36個IO口。通過使用sim900a無線GSM通信模塊，用戶可以遠程切換蔬菜大棚內的工作模式，了解大棚內各環境參數并調節。

4.3攝像頭遠程監測模塊

通過組建局域網，將攝像頭與電腦通信，管理人員通過電腦上的上位機軟件可以調節攝像頭監測角度，方便用戶遠程直觀了解棚內蔬菜的生長態勢。同時，為了防止有人惡意進入大棚，當有人通過非輸入密碼方式強行進入大棚時，攝像頭模塊對該人進行錄像并存儲在SD卡中，錄像可通過電腦上位機軟件查詢。

4.4太陽能供電模塊

太陽能光伏發電根據光生伏特效應原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉換為電能，充分利用太陽能資源，符合了當代節約能源的主題。本模塊將這些電能存儲在蓄電池里面，當檢測到蓄電池里面的電能不足以為系統供電時，電源管理模塊自動將電源切換到太陽能供電部分，以應對停電等突發狀況。

4.5軟件系統的實現

4.5.1. 智能控制算法PID

PID算法廣泛應用于工業控制當中，其控制算法簡單，計算量小，PID的算法公式是：

⊿U(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

U(n)=⊿U(n)+U(n-1)

e(n) ,e(n-1), e(n-2)就是歷史上的三個設定值跟過程值之間的偏差。

本系統采用PID算法來控制溫度、濕度、光照強度等等。在保證環境參數穩定在其最佳值附近的同時，使其消耗的能量降到最低。ＰＩＤ算法部分程序如如所示：

4.6系統流程圖

4.6.1 從機程序流程圖：

4.6.2主機程序框圖：

4.6.3PC上位機應用程序流程圖（Labview實現）

第五章 ?硬件框圖

本系統硬件部分主要包括：紅外遙控模塊、蜂鳴器報警器模塊、步進電機模塊、GSM模塊、攝像頭模塊、光照強度采集模塊、溫濕度采集模塊、CO2濃度采集模塊、顯示屏模塊、溫濕度調節模塊、光照強度調節模塊、CO2濃度調節模塊等。主機系統硬件框圖如圖2所示，從機1硬件框圖如圖3所示：

主機系統硬件框

從機系統硬件框圖

第六章系統可靠性設計

6.1硬件可靠性設計

單片機硬件系統的抗干擾能力與元器件質量、裝配質量等因素都有關系, 但其中起決定性作用的是設計過程，因此我們在設計過程中采用如下方式提高硬件的可靠性:

(1)采用光電隔離；

(2)采用過壓保護電路；

(3)采用抗干擾穩壓電源；

(4)采用良好的接線。

6.2軟件可靠性設計

軟件部分的可靠性主要通過抗干擾設計實現，其中本系統的抗干擾部分主要包括以下部分：

(1) 采用數字濾波方法來抑制輸入通道的干擾；

(2)對數字輸出信號處理；

(3)對部分關鍵設備的運行狀態的監控

(4)采用指令冗余，軟件陷阱，“看門狗”等方法避免程序跑飛，提高軟件的穩定性

第七章 ? ?產品市場前景分析

我國是農業大國，設施園藝面積更是居世界首位，但是在大部分地區溫室大棚還是采用很原始的人工管理方式，傳統的人工管理模式具有高人力物力投入低產出，抵御自然災害能力低等諸多弊端。隨著設施園藝迅速發展,智能化溫室隨之而生,它是設施農業中的高級類型,擁有綜合環境控制系統，有效的填補的各種人工管理的弊端。然而目前國內雖然出現了一些智能化溫室，但核心技術都來源于國外，并且大都造價昂貴，傳感器技術一般，系統整體穩定性有待提高，只能用于觀光或者科研無法大面積投入使用。

了解到了智能化溫室在國內的需求和廣闊的商業前景，我們團隊成員開發了一款智能蔬菜培育系統。本智能蔬菜培育系統是一款面向普通大棚種植戶的多功能型大棚自動化產品，以太陽能和電力作為能源，對大棚作物的光照強度、溫度和濕度自動進行調節，同時根據作物的需求自動澆水、調節光照強度、CO2濃度。該產品最大限度的降低了勞動強度和勞動力成本，有效地節約了水資源及肥料費用，實現了科學種植、精確管理、資源優化配置與資源利用最大化。

該系統具有投資成本小，安裝簡易、設備維修費用低、可升級空間大、與其它設備兼容性好等特點。使用規模亦可大可小，不額外占用作物的土地面積，具有極好的市場適應性。造型簡潔大方，美觀別致，不受地域限制，非常方便。因此無論用戶采用大棚種植蔬菜還是養殖花卉，或者培育幼苗，該設備都普遍適用，應用范圍廣泛。該智能蔬菜培育系統一旦投入使用，投入成本回攏快，產生的效益可觀。有廣闊的市場前景。

第八章 ?特色與創新點

信號采集多元化，國內首次實現將多因子為測控指標傳達給控制中樞。將蔬菜大棚內的溫濕度，光照強度，CO2濃度集測量與控制于一體，通過PID控制算法實現全自動化實時調節。

數據的采集連續化處理實時化，增強其抵御突發災害的能力，保證大棚內環境的穩定。技術多元化，結合了GSM無線通信技術、傳感器技術、單片機技術等，建立起了監測——控制全自動化的智能蔬菜培育系統；

GSM遠程控制模塊的引入和局域網技術的融合使該系統更加簡單高效的為用戶服務。創新性的融合局域網技術使該系統更加符合時代的主流，借助互聯網的優勢使系統更好地為用戶服務。

開發了一款基于Labview的上位機，集接收、顯示、查詢、統計、報表打印、發布遠程控制命令等功能于一體。在VI上可以實時測量各個傳感器的數據，并以曲線形式直觀顯示。

上位機集成了蔬菜小助手功能，用戶可以通過它搜索各種蔬菜的專業培育知識，為用戶種植蔬菜提供農業專家級別的建議。

能耗極低，集節水節電與一體，供電部分采用太陽能光伏發電，用水來自于天然雨水，充分利用了大自然的資源，獨有的太陽能電池板使系統能夠應對突發的停電狀況。

制作成本低，硬件結構簡單，控制核心邏輯嚴密，可靠性高，性能穩定。

系統功能易擴充，系統設計時采用面向對象機制和模塊化結構設計，在不需要改動系統結構的情況下，容易增加新的模塊，使系統的功能擴充容易方便。

結論

經過幾個月的努力，我們團隊完成了智能蔬菜培育系統的制作。

通過不斷的調試、改進、完善，我們的系統首先實現了最基本的功能——溫濕度、光照強度、CO2濃度的測量與控制。測量與控制的主要內容為：當大棚內的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度沒有穩定在它們各自最佳值附近時，則系統啟動相應的調節設備，如滴灌系統、人工補光系統等等。此外，為使方便用戶直觀了解蔬菜大棚的狀態，我們還開發了一款基于Labview的上位機，上位機上可以實時顯示個傳感器數據的波形，同時也可以用上位機控制棚內各個設備的運行。此外，我們的上位機還集成了一個蔬菜小助手工具，只要用戶輸入蔬菜的名字，則可查詢到當前蔬菜的習性、最佳生長環境（如最佳溫濕度、最佳光照強度、最佳CO2濃度等等）。為用戶提供農業專家級別的指導，大大方便用戶管理蔬菜大棚，也克服了只有網絡用戶才能上網查詢信息的缺點。當用戶查詢到這些信息時，也可以直接在上位機上為系統設置各個環境最佳值。用戶還可以通過液晶顯示屏控制大棚各設備的運行，設置個環境參量最佳值進行調節。該系統實現了多種渠道控制大棚的狀態，在大棚內可通過觸摸屏控制大棚設備，在家在辦公可通過上位機控制設備，在旅游在出差，可以通過手機及時了解大棚的狀態并且控制大棚內設備的運行。

除此之外，在基本功能實現的基礎上，我們實現了附加功能：

太陽能電池模塊，本系統采用了太陽能電池，除了節約能源外，還增強了系統的穩定性和可靠性，淡化了系統對外界環境的要求，使其能推廣到電力設施不完善的地區。幫助國家充分利用每一塊土地。

通過人體紅外熱感應模塊感應到人體靠近系統時，顯示屏上會顯示歡迎界面，同時啟動顯示屏模塊；無人時，顯示屏進入低功耗狀態，這樣達到了節省電能的目的。

因此，系統預先設計的功能都已經實現，并且已經達到了預期效果，下面展示系統制作完成后的模型。