基于Arduino的智能温室大棚环境监测控制系统设计

彭怀涛 彭奇威 邢靖 张瑞雪 许建国

摘要： 物联网和传感器技术的迅速发展，为改造传统农业带来了许多便利。本文提出了一套基于Arduino的智能温室大棚环境监测控制系统设计方案，该系统以Arduino开发板为核心，通过温湿度传感器、光照强度传感器等实现大棚内环境参数的采集，用户可以通过Web端实现温室大棚的实时监控和智能控制。系统运行结果表明，方案切实可行，具有一定的实用价值。

关键词： 温室大棚;环境监测;Arduino

基金：长江大学工程技术学院2019年大学生创新创业训练计划项目（S201913245011）

前言

中国作为一个农业大国，就整体情况而言，我国的农业劳作无论是从规模，还是技术上都存在着明显的不足。大多数温室大棚智能化程度较低，对大棚内部环境的控制上，依然采取人为手动控制，费时费力，而且无法做到对大棚内部环境的及时监控与调节。因此，本文提出了一套基于Arduino的智能温室大棚环境监测控制系统设计方案，用来检测温室大棚中温度、湿度、光照强度等环境参数，通过智能控制补光灯、浇水器、加热器等设备来调节温室内部环境，为植物提供更好的生存环境，可以有效的节省人力物力，提高农作物的产量和质量。

系统功能设计

系统硬件设计

系统硬件由Arduino主控模块、GPRS通信模块、数据采集模块、功能控制模块等组成。其中GPRS通信模块选用低功耗的SIM800A;数据采集模块包括DHT11温湿度传感器、BH1750光照强度传感器、YL-69土壤湿度传感器;功能控制模块由浇水器、加热器、加湿器、补光灯、排气扇、继电器等组成。系统设计框图如图1所示。

硬件各模块功能介绍如下：

主控模块

采用Arduino UNO模块作为主控模块，通过引脚输出高低电平的方式去控制其他模块。Arduino模块带有一个微控制器，用户可以将编写的程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器中。与电脑的USB接口相连，通过Arduino开发工具的串口监视器来查看引脚的状态。Arduino带有多个模拟信号引脚和数字信号引脚，可以通过引脚连接传感器和继电器等多个模块。

数据采集模块

采用了DHT11温湿度传感器、BH1750光照强度传感器，YL-69土壤湿度传感器等传感器。DHT11连接Arduino上的模拟信号引脚，BH1750、YL-69连接Arduino的数字信号引脚。当系统上电后，传感器会自动将采集的16进制数据传输给Arduino模块。

通信模块

使用SIM800A，通过与Arduino主控模块上的TX，RX引脚相连，来实现数据传输。Arduino以报文的形式，将采集到的数据打包成JSON格式，然后传输给GPRS模块，GPRS模块把数据发送到服务器。客户端的响应信息由GPRS模块传回给Arduino主控模块。

功能实现模块

采用现有的补光、浇水等设备，使用继电器作为设备的总开关，通过改变Arduino上相关引脚的高低电平去实现控制。每个引脚都设定一个指令，通过反馈的指令信息去改变相关引脚的电平，从而实现一对一的控制功能。

系统软件设计

本系统软件由SSM框架结合HTML5前端技术设计而成。系统后端程序采用Java语言编写，程序的Mapper和Service层实现数据的存储和业务逻辑，由前端控制器DispatcherServlet实现Web端和服务器之间的数据交互。在视图渲染上采用了响应式开发技术，适用于手机端和PC端。用户可以通过Web端查询大棚内部环境参数，若环境参数出现异常，用户可以通过Web端手动控制温室大棚的浇水器、排气扇、加热器等设备来进行调节，实现温室大棚的智能化和远程管理。

系统运行原理

本系統主要以Arduino为控制主板，通过连接温度、湿度、光照强传感器等其他设备来实现对大棚内环境参数的采集。Arduino通过连接SIM800A的GPRS远程通信模块，将数据传送至服务器，再由后端程序将数据解析并保存在数据库中。用户可以通过Web网页发送指令到服务器，服务器再将指令通过TCP通道传输给GPRS通信模块.每条指令分别控制着一个继电器，每个继电器对应一种控制功能。

系统测试

首先，将程序打包上传到远程服务器上，模拟用户进行注册登录，再打开相应页面，进行功能测试。为了方便用户便于查看，将解析后的数据渲染成JSP页面，以折线图的形式展示给用户，如下图图2所示（由于篇幅有限，仅给出温度图）。

结语

本文提出了一套基于Arduino的智能温室大棚环境监测控制系统设计方案，该系统由Arduino主控模块、数据采集模块、GPRS通信模块、功能控制模块构成，使用温湿度传感器、光照强度传感器等实现大棚内环境参数的采集，用户可以通过Web端实现温室大棚的实时监控和智能控制。系统运行结果表明，方案切实可行，具有一定的实用价值。

参考文献

刘亚伟.基于物联网技术的智能温室大棚控制系统研究[D].长春工业大学，2018.

江杰，岳云东.智能温室大棚控制系统设计[J].自动化应用，2018（01）：33–35.