溫室環境檢測與控制系統

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摘要:

針對溫室中農作物的質量和產量受光照強度、溫濕度和二氧化碳(CO2)濃度的影響問題，提出了一種基于WiFi的溫室環境檢測與控制系統。該系統包括數據采集、數據傳送和數據處理三個部分，使用STM32F103作為主控制器將傳感器檢測的溫室光照強度、溫濕度和CO2濃度等信息，經由WiFi模塊傳送給PC機，管理者既可以遠程查看溫室作物的生長情況和環境信息，也可發送指令控制卷簾機、補光燈、遮陽板、灑水器和排風系統遠程調節溫室的環境。實驗結果表明，該系統運行穩定、操作方便，能實時檢測和調節溫室環境。

關鍵詞:

WiFi;溫室;智能控制;傳感器

0引言

隨著現代科學技術的快速發展，農業生產方式也發生了較大的變化［1］。農業生產正逐步進入依靠科技提高農產品的質量和產量、提高農業的整體效益和增加農民的收入的新時期。溫室技術的發展是實現這一轉變的重要途徑，溫室蔬菜生產需要更少的勞動力、更少的成本、不易受氣候的影響、比傳統的蔬菜生產方式具有更快的回報［2－5］。因此，溫室蔬菜被農民追捧。然而，沒有遠程環境監測系統，難以有效地控制分散的溫室［6］。近年來，出現了基于以太網的遠程監控系統，這種監控系統有諸多缺點，例如安裝復雜、設備成本高、接入速度慢、覆蓋范圍小等［7－10］。為了控制成本、增加農民收入、配合我國三農規劃［11－13］，本文設計了一種基于WiFi的溫室環境檢測與控制系統。

1系統總體設計

本文提出的基于WiFi的溫室環境檢測與控制系統總體設計框圖，如圖1所示。該系統包括數據采集、數據傳送和數據處理三個部分，使用STM32F103作為主控制器將傳感器檢測的溫室光照強度、溫濕度和二氧化碳濃度等信息，經由WiFi模塊將采集到的溫室環境數據通過網絡發送給遠程PC機，PC機對獲取到的信息進行存儲和分析，管理者既可遠程查看溫室作物的生長情況和環境信息，也可以發送指令控制天窗、灑水器、降溫除濕器、升溫加濕器和CO2發生器等，從而實現遠程調節溫室環境的目的。本系統還可以同時檢測和控制多個溫室的環境。從圖1可看出，各個大棚每隔一定的時間將檢測到的溫室環境數據發送給PC機，PC機再對數據進行存儲、顯示與處理。

2硬件系統設計

為了達到遠程調節溫室內作物生長的目的，本文設計了基于WiFi的遠程控制系統。硬件部分主要實現數據采集、數據傳送和根據指令控制相應設備啟停的功能。硬件系統總體設計框圖，如圖2所示。其中，WiFi模塊起到了數據傳遞的功能，是最主要的部分。WiFi具有傳輸距離遠、覆蓋范圍廣和傳輸速率高的特點，在每一個大棚內只需提供一個WiFi熱點便可連接所有傳感器。而上位機只需要匯總傳輸過來的數據，然后判斷其是否超過了所設的閾值，并作出相應的處理，實現對溫室內環境的遠程控制。同時，上位機還配有一個數據庫，可隨時查詢不同時刻的檢測數據。溫度檢測模塊使用AD590［14］溫度傳感器，其將溫度轉換為電流，溫度每增加1°，其的輸出電流也會增加1μA。AD590溫度傳感器可檢測的溫度范圍為－55℃～150℃。溫室內濕度過高會影響作物的莖葉生長，以及開花結果。本系統采用MP－508B［15］濕度傳感器檢測溫室內的濕度，傳感器工作電壓為7～15V，可測量0%～100%的濕度范圍。并通過在高溫天氣加濕和低溫、陰雨天的除濕來調節溫室內的濕度。農作物的生長情況與光照有著密切的關系，農作物白天通過吸收CO2進行光合作用排除氧氣，而在晚上吸收氧氣排除CO2，在陰天光照較弱需要補充光照。本文使用光敏電阻檢測溫室內的光照強度，光敏電阻的阻值根據光照強度的變化而變化。有光時，阻值小;無光時，阻值大。將檢測的電流值轉化為數字信號傳給STM32。CO2是影響農作物光合作用的重要因子，充足的CO2能促進作物生長發育，抑制病蟲害。本文使用TGS4160［16］傳感器檢測CO2的濃度，并將檢測到的濃度信號經A/D轉換器轉化為數字信號傳給STM32處理。TGS4160檢測到CO2時便會發生如下電化學反應:Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2通過檢測正負極間的電勢差就可計算出CO2的濃度。本文執行機構通過STM32控制繼電器來控制風扇、噴淋管、加熱器和CO2容器電磁閥等。將STM32相應管腳作為光電耦合器的輸入端，當光電耦合器電壓超過3V時，就會執行對風扇、噴淋管、加熱器和CO2容器電磁閥的控制。當檢測到的環境數據在閾值范圍內時，STM32輸出高電平，相關設備就會停止運行。

3軟件系統設計

系統的軟件設計包括檢測模塊的數據采集，WiFi模塊的數據傳送和主控制模塊的指令發送。當出現報警信息時，系統將向用戶發送報警信息，若報警信息沒有被解除，系統將向以一定的頻率持續發送。軟件系統主程序流程，如圖3所示。系統數據采集的流程，如圖4所示。在讀取多個傳感器的數據時，按照溫度、濕度、光照和CO2濃度的次序逐一進行掃描直至獲取到所有信息。其中，數據存儲模塊可存儲用戶的歷史記錄和檢測模塊的歷史數據。

4系統測試

本文按照系統的組成分別進行軟硬件開發和組裝調試，并安裝到實際的溫室大棚內測試與應用。測試結果表明，該系統運行穩定、操作方便，能實時檢測和調節溫室環境。同時，為了驗證系統運行的穩定性和實時性，開發PC機軟件接收WiFi發送的信息，并根據環境情況調節溫室環境。圖5是上位機軟件運行的實際效果圖，從圖中可以看出，此時檢測到溫室大棚1和2的環境信息分別為:溫度為30.9℃和31.2℃，濕度為61.2%和55.85，CO2濃度為869ppm和756ppm。該系統也能調用數據庫存儲的信息，查看一段時間溫室內的溫度、濕度、光照強度和CO2濃度的實時變化曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，1號大棚的溫度、濕度和CO2濃度的變化情況，方便用戶掌握溫室環境的變化情況，并作出相應的決策。

5結束語

本文設計的溫室環境檢測與控制系統使用WiFi作為數據的傳輸通道，用戶可遠程查看和調節溫室內農作物的生長狀況。該系統使用STM32作為主控制器將傳感器檢測的溫室光照強度、溫濕度和二氧化碳濃度等信息，經由WiFi模塊將采集到的溫室環境數據發送給遠程PC機，PC機對獲取到的信息進行存儲和分析。而管理者既可遠程查看溫室作物的生長情況和環境信息，也可以發送指令控制天窗、灑水器、降溫除濕器、升溫加濕器和CO2發生器等遠程調節溫室的環境。經過軟硬件測試表明，本系統測量精度高、結構簡單且能實現溫室環境的遠程監控。

參考文獻

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作者:羅瑞雪 單位:東北農業大學資源與環境學院