关键词：智能温室大棚控制系统；数据采集；物联网；STM32

Abstract: Intelligent greenhouse control system designed in this paper uses the STM32F103 microcontroller as the main control chip, and uses DHT11 temperature and humidity sensors, soil moisture sensors, and photosensitive resistance sensors to collect data on the environment in the greenhouse, and upload the collected information to the system controller. The collected data is compared with the set threshold through the program algorithm, so as to automatically control the opening and closing of the fan, theheaters, fill light, and water pump. The system can not only display the data on the OLED screen, but also monitor data in real time on the mobile phone, set environmental thresholds, and complete independent control of each actuator.

Key words: Intelligent greenhouse control system; Data collection; Internet of things; STM32

1  引言

我国作为全世界第一农业大国，现如今农业生产越来越离不开温室大棚^[1]。现有的传统塑料大棚虽然成本较低，但种植出来的作物因气温、湿度、光照不好调节等问题，导致大棚内农产品产量不高，而且也不利于规模化生产，无法满足国家对于现代化农业发展的要求。基于物联网的智能温室大棚控制系统设计能够对大棚内的环境进行实时监测、自动控制以及远程自主调控，实现了农业种植的智能化操作，提高了农作物的产量、减轻了农业种植者的劳动强度^[2]。

2  系统总体设计

2.1  系统构成

控制系统设计是制作智能温室大棚的核心环节。本系统以STM32F103单片机作为核心处理器，由数据采集、系统控制器、执行机构三个部分共同组成，其中，数据采集部分由DHT11温湿度传感器、5506光敏电阻传感器、土壤湿度传感器构成；系统控制器中信号处理部分主要通过单片机内处理算法完成，ESP8266通信模块作为单片机和手机APP的通信桥梁；执行机构由OLED显示模块以及风扇、加热器、补光灯、水泵五个部分组成。系统总体设计框图如图1所示。

图1  系统总体设计框图

2.2  系统功能

基于物联网的智能温室大棚控制系统是目前应用于现代温室大棚的实用型技术，系统主要功能是对温室大棚内的环境进行监测和控制。它通过多种传感器对大棚内空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度进行数据采集，利用OLED屏显示采集的数据，并通过自身控制系统采取补光、灌溉、加热、散热等操作；同时也可将测得的数据上传至手机，利用手机APP实时显示，并通过手机的操作按钮远程自主控制灌溉等相关操作。当空气温湿度过高时，可打开风扇的电磁阀进行降温除湿操作；当温度过低时，可打开加热器的电磁阀进行升温操作；当光照强度减弱时，可以通过补光灯提升光强；当土壤过干时，可开启水泵增加土壤湿度。当环境条件不符合农作物生长时，技术人员也可根据自己的经验利用手机APP对环境参数的阈值进行重新设定并对风扇、水泵、加热器等设备直接操控。

3  硬件系统设计

本系统的硬件设计主要包括传感器采集电路、执行机构电路以及ESP8266通信电路，下面对各个电路进行详细分析。

3.1 传感器采集电路

温湿度的采集利用的是单总线型控制元件DHT11温湿度传感器^[3]，其有精度高，误差低的特点。温湿度采集电路的功能是将大棚内空气温度、湿度以数字量的形式传输至单片机，并通过单片机的主控算法对其进行处理，温湿度采集电路如图2所示。

土壤湿度的采集利用的是土壤湿度传感器，其内置稳压芯片。土壤湿度采集电路是将传感器的DO引脚与单片机ADC123_IN1引脚直接相连，通过单片机来检测该引脚输入的高低电平，由此来检测土壤的湿度^[4]。土壤湿度采集电路如图3所示。

农作物的生长离不开阳光，大棚内光照强度的采集是由5506光敏电阻传感器实现的，它将采集到的信息传送至单片机的I/O口进行判断，当光强低于设定的阈值时，补光灯开通。光照强度采集电路如图4所示。

 

                  
          图2  温湿度采集电路                          

                                                                                                               图3 土壤湿度采集电路
                                                                
                                                                         图4 光照强度采集电路

3.2  执行机构电路

本系统的执行机构电路由显示电路和控制风扇、加热器、水泵、补光灯四个设备开断的继电器电路组成。

对于显示电路，选用0.96寸OLED显示屏显示采集到的空气温湿度、土壤湿度和光照强度。在本设计中将时钟信号线SCL、双向数据信号线SDA分别与单片机的I2CI_SCL、I2CI_SDA引脚相连，该系统在上电后会有一定的时间延时，等待系统初始化完成后，各个传感器上获取的数据就会显示在屏幕上。由于需要分四行显示数据，所以编程时需要对其进行选地址操作。显示电路如图5所示。

对于继电器控制电路，当线圈得电时，继电器的常开开关闭合。以风扇的控制为例，继电器电路与单片机的I/O口相连，从而实现单片机对继电器通电和开路的控制，这样就可以对各个执行元件的开和关进行控制。风扇开关电路如图6所示。

                              
                                                                       图5 显示电路                                                                                               图6  风扇开关电路

3.3  ESP8266通信电路

本系统的通信电路使用高性能的ATK-ESP-01通信模块，该模块采用串口LVTTL与MCU通信，内置TCP/IP协议栈^[5]，具有工作温湿度范围大、功耗低、有较好的安全机制等特点，适用于大棚内的操作环境。

该模块有三种工作模式，本系统采用串口转WIFI STA模式，串口设备只需进行简单配置，就可以通过网络传输传感器电路采集到的数据。在本次设计的ESP8266通信电路中主要通过WIFI模块完成串口与设备的数据互传，实现STM32单片机与手机APP之间的通信。ESP8266通信电路原理图如图7所示。

图7 ESP8266通信电路

4  软件系统设计

系统的软件设计主要包括单片机主控程序设计、通信模块程序设计、Android设计3个方面，系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

4.1 单片机主控程序设计

智能温室大棚主控系统设计的核心是STM32F103单片机，本设计首先是进行系统的初始化，初始化完成后将3个传感器采集的4个数据：空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度实时显示在OLED屏幕上，并通过ESP8266通信模块将数据上传至手机端，使其在手机APP上显示采集到的数据，再根据主控程序的算法，逐一将采集的数据与设定的阈值进行比较，如果满足设定的条件，则执行相对应的动作，控制风扇、加热器、补光灯、水泵的开断，从而更好地为农作物生长提供适宜的环境。

4.2 通信模块程序设计

本系统通过MQTT协议接入手机端，首先利用AT指令集确保模块的正常通信并将其设置为站模式，再利用XCOM串口调试软件输入“AT+CWLAP”命令查看设备附近的WIFI网络列表，根据所查列表，用“AT+CWJAP="wangshaung","12345678"”命令完成WiFi模块的连网。ESPB266模块连网完成后，再设置通信的协议，通过“AT+CIPSTART="TCP","zuoyang.ltd",1883”、“AT+CIPSEND”命令完成WIFI模块的全部配置，保证手机和硬件之间数据的正常传输。

4.3 Android设计

本系统使用的是Android Studio开发平台，该平台稳定、运行速度快、开发智能便捷^[6]。在系统运行时，可以通过开发的APP实现远程监测和远程控制，并将其生成的数据库文件记录和保存。该系统采用JAVA语言进行开发，STM32单片机将采集到的数据经WIFI模块实时显示在手机APP上，手机端再对数据进行处理、分析和记录，操作人员可根据自己的经验在APP页面上设定温湿度、光强以及土壤湿度的阈值，同时可直接在APP上对风扇、加热器、水泵、补光灯进行控制。

5  结束语

随着物联网技术的不断发展，智能温室大棚控制系统将会广泛地应用在农业生产中。本文详细介绍了控制系统的硬件和软件设计，硬件系统主要包括传感器采集电路、执行机构电路以及ESP8266通信电路，软件系统主要是单片机主控程序设计和手机APP的开发，软件和硬件的结合使得该系统的操作更加简便、智能，性能更加稳定。既能保证大棚内的环境条件符合农作物生长的需要，又能为人们的农业生产提供智能化的服务，更大限度地满足了农业工作者的要求。

参考文献：
[1] 王龙忠. 浅谈智能温室大棚的系统设计[J]. 农业技术与装备, 2020, (03): 32-33.
[2] 宋先腾. 农业机械中先进农业技术的应用研究[J]. 农业工程技术, 2017, 37(29): 43.
[3] 刘锦. 温室大棚智能监测系统[J]. 南方农机, 2020, 51(06): 28-29.
[4] 郑依, 曹文彬, 尹冬欣等. 一种基于Android平台的智能花盆设计[J]. 物联网计术, 2018, 8(10): 66-67.
[5] 陈思, 林锦纯. 关于仓库火灾排查机器人的研究[J]. 价值工程, 2019, 38(19): 135-138.[6] 周万禹, 胡乃瑞, 杨美琪等. 温室大棚环境监测及控制系统的设计[J]. 电子测试, 2020(05): 45-47.

作者简介：

韩涛(1987), 男，湖北省黄石市，博士，副教授，研究方向为多智能体、智能控制。（通讯作者）