农业大棚的智能化监测

尚泽 陈伟利 李玉丽

（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春 130000）

1 概述

近年来我国的国民经济发展迅速，科技水平不断提高，在当今社会，物联网与互联网技术日益成熟，越来越多的人开始重视以物联网为基础的智能农业大棚的研究。从古至今，农业在我国一直占据着十分重要的地位。我国的农耕技术曾一度领先于世界，可随着科技的不断进步，传统的农耕技术已不能满足现代生产发展的需要，现代化农业成为我们迈向世界大国的路途中，关键的一步。现代化的智能农业大棚在实现对农作物的无误、精细管理的同时大大节省了时间、人力和物力，使得生产变得更加高效。事实上我国对现代化农业的研究起步较晚，其管理方法照一些发达国家仍有差距，所以对于现代化智能农业系统的研究有着极其深远的意义与影响。

传统农业大棚的监测模式为人工监测，高频率的观察、记录、测量各种数据，不仅效率低下而且导致误差产生的因素过多，不利于对生产过程的管理与控制，还容易产生一些不必要的资源浪费和财产损失。随着物联网（5G）时代的到来，农业智能化程度不断提高，智慧温室大棚应用越来越广泛，具体表现在各种现代化设备的加入与互联。

2 系统结构

智能农业大棚检测系统的重点在于对内部环境的信息进行实时数据采集和环境监测。在对于作物监测的方式从人工转为更精准的仪器，各个传感器模块对环境数据信息进行实时采集，并通过ZigBee 传输至处理器进行数据的分析处理，同时从各个传感器收集来的数据在LCD 液晶显示屏上显示。

3 硬件结构设计

系统所需求的相关监测与控制程序设计，主要运用Keil C51 软件开发平台，以及STM32 系统中的按键、串口、蜂鸣器、ADC、时钟、TFT-LCD 显示等部分。在本系统程序设计与实际操作中，在读取系统相连接的各传感器所测得数据信息的同时，把测量收集到的数据进行传输及加工处理，而后将得到的数据信息LCD 屏上显示，其中相关设备能够根据监测数据来判断棚内环境是否适宜农作物生长，并做出相应调整。

4 方案设计

4.1 各模块基本需求。STM32F103ZET6 为主控芯片来满足智能大棚的设计要求。2 块STM32 采集数据的范围十分有限，大棚内面积较大，不能采集棚内所有数据信息，采用多个STC12C5A60S2 来收集各传感器数据。

温湿度传感器：本系统使用的温湿度传感器为DHT11，该模块的优点是可靠性高、测量范围广、精确度高，从长期监测的角度来看非常适合，节能性价比高。如图1。

图1 DHT11 电路图

光照：本系统采用GY-30 光照强度该检测模块芯片为BH1750FVI，它的电压范围是3-5V, 适宜的光照强度范围是0-655351x,并且内置AD 转换，使它不需要经过复杂的算法过程来直接输出数字信号，如图2 它可以用来测量高精度的大范围亮度。当检测到的光强高于设定的阈值范围时，系统驱动步进电机（如图3 所示）旋转一个固定的步进角，放下遮光罩,相应的，光照强度低于阈值时会打开补光灯，这里的补光灯采用的是LED 植物生长灯。

图2 光照强度传感器图

图3 步进电机电路图

二氧化碳监测：本系统决定用两个MG811 固体电解质传感器模块来检测大棚内的CO2浓度，并安装在大棚的适当位置。该传感器的测量范围（0-10000ppm)，但在其工作时传感器的内核温度会一直升高，且温度的升高会影响测量的灵敏度，必须加入温度补偿电路来弥补此缺陷。虽然温度升高会影响其工作的精准度，但是该传感器可靠稳定、使用寿命长，依旧是最适合的选择。如图4。

图4 MG811

通风系统：当大棚的温度超出适宜植物生长的温度范围，或者当大棚内的二氧化碳浓度过高时，需要通过风扇工作来实现大棚内的空气流通，以达到降低二氧化碳浓度的目的。本系统采用直流电机驱动芯片驱动直流风扇。其工作原理：大功率风机安装大棚开阔一端，当需要降低温度或者二氧化碳浓度时，该风机自启动，将棚内空气抽出，带出多余热量与二氧化碳，棚外新鲜空气进入，从而实现通风散热。

本系统设计采用TFT-LCD 模块液晶显示屏，支持显示65k色，成像效果良好。如图5。

图5 液晶显示

在数据处理方面，根据以上涉及到的硬件方面，本系统决定采用STM32F103ZET6 芯片作为本系统数据的核心控制器。

4.2 数据传输模块

由于农业大棚一般面积较大，导致各传感器之间距较远，采用蓝牙信号来进行传输不具有稳定性，且需要多个信号接收器，成本过高，因此采用ZigBee 模块来实现数据远距离无线组网。本系统采用以CC2530 为芯片的DL-LN33 模块，能够较好的满足农业大棚数据信息远距离传输的要求。实物图如图6。

图6

4.3 大棚控制模块

STM32 作为本系统的核心控制器，发挥着其重要的作用，当棚内环境不适宜作物生长时，其就会接收到超过所设阈值范围的数据信息，该芯片就会对相应模块发送指令控制步进电机或相应继电器，以实现对棚内电机水泵、风扇电机、补光灯、遮光板、补光灯等设备的直接控制，从而实现智能农业系统的自动调控。其中STM32 接收的数据是通过棚内传感器模块所测量到的，以ZigBee 自组网传输过来，然后STM32 发出相应的调整命令。

5 性能测试

在我们创造的模拟环境中，仪器测得的数据与传感器测得的数据进行对比，系统采集数据与环境实际数据基本保持一致，误差在可接受的合理范围内，如表1。

表1

6 总结与展望

系统通过与STC12 相连的各传感器模块实现数据采集，然后通过CC2530 将采集到的数据传输到STM32 处理器进行数据分析处理，并在LCD 上显示。农业发展面向现代化与智能化已经是趋势所在，随着互联网和物联网的普及，在农业方面的应用也会越来越广泛，因此项目拥有一定的实际应用价值。