基于单片机的农业大棚智能监控网络系统设计

来源:用户上传      作者:王浩臣 秦国庆 吕植越 朱世杰 蔡宇阳

　　摘   要：近年来，温室大棚技术展现出巨大经济潜力，自动化的大棚监控系统也显得尤为重要，然而目前市场上所售的农业大棚监控系统存在两点不足：设备自动化程度较低、造价高昂。文章针对上述情况，设计了一种新型的农业大棚监控系统，采用集散控制系统，下位机多点分布采集和控制，上位机集中处理数据产生决策控制信息，主从机之间采用无线网络通信，实现环境集中控制、数据实时上传网络、用户在线查看等功能。
　　关键词：农业大棚;智能网络监控系统;“互联网+”
　　近年来随着农业生产技术水平的不断提高，大棚技术得到了极为广泛的推广和应用[1]，然而传统的人工控制方式很难满足科学种植的要求，农业大棚监控系统的出现有效弥补了人工技术方面的不足，使农业大棚种植真正实现了数据化管理[2-3]。但市场上已有的农业大棚监控系统普遍存自动化程度较低且造价昂贵的问题[4-5]。本文提出一种新型农业大棚智能监控系统的设计方案，以较低的成本实现监控系统的自动化控制。系统以STC15单片机为核心进行设计，将多种环境检测单元集成为独立的环境检测点，对多种基础的环境数据进行检测，使用无线通信技术将多个环境监测点的数据汇总处理，并通过WiFi协议连接至互联网平台[6-7]，实现实时环境的反馈控制、数据上传网络云服务平台、用户在线查看控制等功能。以较低的价格满足现代农业自动化生产的必要需求。
　　1    系统整体设计
　　大棚智能监控网络系统整体设计框架如图1所示，系统由一台主机、8台数据采集从机、两台反馈从机和云服务平台组成（数据采集从机和反馈从机仅各列举一台）。主机定时向8台数据采集从机依次发送数据采集指令，数据采集从机接收到指令后读取当前某定点环境数据，对数据预处理[8]并编码发送给主机，主机根据环境数据给出控制决策使从机产生相应动作，同时将环境数据上传至网络云平台，实现数据可视化、图表化，为用户提供便利的监控平台。
　　2    系统硬件设计
　　2.1  从机硬件设计
　　从机硬件可分为电源、控制电路和功能电路。从机电源电路设计为通过太阳能电池供电增强灵活性。为了防止太阳能板使用过程中出现过压和浪涌冲击控制电路，可以在电源电路中添加3.7 V的鋰电池收集光照强烈时多余的电能，同时使用LM7805芯片构成稳压限流电路，维持从机电路电压和电流的稳定性。反馈从机安装于水泵电机或散热扇电机附近，通过继电器对电机控制，因此可将反馈从机电源电路接入220 V交流电网，通过降压、稳压、限流电路将交流电转换为5 V直流，对控制电路和无线通信模块进行供电。两种从机控制电路都采用STC15F2K60S2单片机作为中心控制单元，该芯片内部集成高精度R/C时钟，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路，并具有两组超高速异步串行通信端口和8路高速10位A/D转换端口。从机按照所执行功能的不同分为数据采集从机和反馈从机。数据采集从机通过使用DHT11温湿度采集模块、YL-69土壤湿度传感器、BH1750光照度模块对基础环境信息进行采集，同时将STC15F2K60S2剩余的A/D转换端口引出，支持用户后期根据需求添加传感器模块。反馈从机的功能电路通过光耦合继电器的组合，控制220 V异步交流电机对环境参数进行调节。
　　2.2  主机硬件设计
　　主机硬件结构较为简单，主要为电源和控制电路。主机使用外置充电器充电，并配合内置的5 V可充电锂电池为主机电路进行供电。电路板内置3.3 V降压限流电路，降压电路选用AMS1117-3.3芯片配合外部电路进行设计，具有限流和过热切断的功能，可在供电单元发生过压和浪涌时有效维持主机电路内部电压电流稳定。由于连接互联网所使用的ESP-01S模块额定电压为3.3 V，所以选用3.3 V供电的STC15L2K60S2作为主机主控芯片，该芯片的功能与从机使用的STC15F2K60S2完全相同。数据处理电路配备有EEPROM存储单元，将主机采集到的数据定时进行存储，防止数据掉电丢失，保证采集到环境数据的连续稳定性。
　　2.3  无线传输设备
　　无线传输设备分为两种：一是组建本地局域网;二是连接互联网。农业生产需要大面积耕地，普通的无线通信模块通信距离有限，难以将整个大棚都覆盖在无线通信范围内，因此构建本地局域网时选用HC-12无线通信模块，该模块通信方式灵活度高，可实现一对一或多对多无线通信，全功率运行透传距离可达200 m，无障碍通信距离达800 m，适用于构建中小型无线透传网络。WiFi模块用于主机与互联网云平台进行通信，将物联网连接至互联网，实现环境数据的云存储和在线监控。选用ESP-01S模块，采用ESP8266芯片作为MCU，是一款专职于WiFi联网的互联网模块，可快速地与指定网页进行稳定连接，实现数据的实时上传和下载。
　　3    系统软件设计
　　3.1  从机程序设计
　　从机在硬件上分两种，但在程序设计上两种从机程序类似，仅功能性指令不同（数据监测从机为数据采集，反馈从机为执行相应操作指令）。数据检测从机程序流程如图2所示，从机通电后等待主机发送连接标志，接收到正确的标志时，点亮连接标志指示灯，返回从机编号并进入待机状态，等待无线通信模块接收到功能指令后执行相应指令。
　　3.2  主机主程序设计
　　系统主机主控单片机主要负责处理两个无线模块之间数据的接收、运算和传递的工作，如图3所示。联网功能完全移动至ESP8266芯片实现，对ESP8266单片机进行SDK编程，实现数据联网上传下载的自动化，主控单片机只需将需上传的数据进行特定格式的编码、通过串口送往WiFi模块即可将数据上传，同理，下载的网络报文只需提取用户数据区的信息送往主控单片机即可，减轻主控MCU的工作负担，提升系统的稳定性。 　　4    实验测试
　　主机通过USB转TTL（芯片为CH340）连接到PC，进行数据采集和处理稳定性测试。在PC上通过串口助手模拟主机WiFi模块，接收检测完毕的大棚环境数据。模拟发送WiFi模块联网准备完成标识“GH0ESP”后正常接收到返回标志语“GH0STC”，主机正常启动开始自动组网收集大棚环境数据，并将数据汇总处理后编码送往WiFi模块。主机每20 s发起一轮环境数据检测，收集在线从机当前检测到的环境数据。经检测环境数据正常，无线连接稳定，检测从机无限透传20 m范围内未出现数据处理紊乱和乱码错误。
　　5    结语
　　本智能监控系统，采用无线通信方式实现系统各组件之间的通信，使数据检测从机具备极高的安装和操控灵活性。同时通过对云服务器的使用实现了数据的备份和远程实时监控，经长时间测试，运行效果良好，数据采集和上传更新稳定，可以满足农业大棚所需的基础智能监控功能。
　　[参考文献]
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　　[2]张辉，李建军，王佳熙，等.电机设备运行参数远程监控系统设计[J].计算机测量与控制，2015（10）：3395-3397.
　　[3]黄颖，张伟.基于物联网的智慧农业监控系统[J].物联网技术，2017（4）：33-34.
　　[4]邹帅，莫奇.基于嵌入式的设施农业智能监控助手的设计与应用[J].数学技术与应用，2014（2）：3-5.
　　[5]李燕飞，张文志，王洪娟，等.基于PLC的智能温室控制系统[J].机械工程与自动化，2016（4）：172-173.
　　[6]王君君，董静，伊铜川，等.移动终端的设施农业物联网环境监控系统设计[J].传感器与微统，2016（8）：87-89.
　　[7]江瑩旭，华芳芳，郑梁梁，等.农艺与物联网下的智慧农业[J].农业工程，2014（4）：38-40.
　　[8]刘伟，冯向军.关于多变量PID自适应解耦控制器的设计[J].微计算机信息，2004（4）：22-24.
　　Framework design of intelligent monitoring network system for
　　agricultural greenhouse based on single chip microcomputer
　　Wang Haochen， Qin Guoqing*， Lyu Zhiyue， Zhu Shijie， Cai Yuyang
　　（Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang 453003， China）
　　Abstract：In recentyears， greenhouse technology shows great economic potential， and the automatic greenhouse monitoring system is particularly important. However， the agricultural greenhouse monitoring system sold in the market has two shortcomings： low automation level and high cost. In view of the above situation， a new type of agricultural greenhouse monitoring system is designed in this paper， which adopts distributed control system， multi-point distributed collection and control of the lower computer， centralized data processing of the upper computer to generate decision-making control information， wireless network communication between the master and the slave computer to realize the functions of centralized environment control， real-time data upload network， online user viewing， etc.
　　Key words：agricultural greenhouse; intelligent network monitoring system; “Internet+”
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