摘要：本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網技術的、采用STM32微控制器設計的智能大棚，當系統(tǒng)實時采集分析溫度、濕度、光照強度等數據后，主控制板通過以太網將數據上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來進行相應操作或者系統(tǒng)自動判斷并進行調整，使大棚內的溫度、濕度、光照強度符合作物生長所需，用戶還可通過視頻實時監(jiān)控觀察大棚內情況。
關鍵詞：STM32F103RCT6;物聯(lián)網;智能大棚;以太網
近年來，農業(yè)大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產有很大的影響。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控的系統(tǒng)還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴，不適合國情。
針對目前大棚發(fā)展的趨勢，提出了一種大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計。根據大棚智能監(jiān)控的特殊性，需要傳輸大棚現(xiàn)場參數給管理者，并把管理者的命令下發(fā)到現(xiàn)場執(zhí)行設備，基于物聯(lián)網的智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)使這些成為可能。
1.系統(tǒng)方案
本項目基于物聯(lián)網技術，采用以太網傳輸數據的方式，將主控板、傳感器、PC機進行有效的連接，從而達到對大棚智能監(jiān)控的目的。整個系統(tǒng)在降低投資的基礎上，減少人力資本，完成蔬菜大棚的增值創(chuàng)收。
模塊1：以太網數據傳輸
以太網數據傳輸是整個系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的基本要求，通過以太網控制器可將主控板上采集分析的數據無線傳輸到PC機上。
模塊2：傳感器
本項目設計過程中加入了溫濕度傳感器、光照強度傳感器，實現(xiàn)數據的實時采集，由于成本問題，未添加二氧化碳傳感器。
模塊3：PC端遠程控制
PC機可通過無線連接到主控板所發(fā)送的數據，用戶通過PC機界面上顯示的數據做出相應判斷，進行大棚的遠程監(jiān)控，還可在PC機上監(jiān)測到大棚內的實時影像。
2.系統(tǒng)硬件設計
該智能大棚控制系統(tǒng)以 32 位 ARM 為主控制器，通過溫度、濕度、光敏傳感器，對大棚內外的溫度、濕度、光強進行實時采集，通過 A/D 轉換，把信號送往 MCU 進行處理。在 CPU 內部 Flash 存有一個小型的溫室環(huán)境數據庫，通過對傳感器采集的環(huán)境參數進行分析對比，最終做出決策，系統(tǒng)自動發(fā)出指令，控制大棚內的溫度調節(jié)、采光、自動澆灌等子系統(tǒng)進行相應的動作;或根據 LCD 上顯示的信息，通過PC端采取干預性的發(fā)出控制指令，從而達到控制大棚內部環(huán)境，便于農作物的生長的目的。
控制的詳細指標分別為：
(1)大棚內的溫度基本保持在 20～26℃;
(2)光強基本保持在 6～12 格的范圍之內;
(3)濕度基本保持在 35%～65%。
2.1基本結構硬件系統(tǒng)的設計
該智能大棚采用 STM32F103RCT6 為主控制器，用來總體協(xié)調控制整個系統(tǒng)，對內部 A/D 采集的數據進行處理，與內部設定的數據庫比較，根據設定的各參數發(fā)出指令控制采光、照明、溫度調節(jié)、自動澆灌子系統(tǒng)，來改變大棚內部的環(huán)境指數。同時，還可利用 STM32F103RCT6來驅動液晶屏，實時地顯示大棚內外的各環(huán)境參數。本系統(tǒng)采用一塊 DHT11溫度傳感器，來采集大棚內外的溫度、濕度值。系統(tǒng)的體系結構如下圖所示：
2.2主控板
采用STM32F103RCT6為核心的主控芯片，組成項目所需主控電路.
2.3以太網模塊
ENC28J60 是帶有行業(yè)標準串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)的獨立以太網控制器。它可作為任何配備有 SPI 的控制器的以太網接口。通過該模塊，可將數據由主控制板上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來控制棚內電機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
2.4傳感器
DHT11：一款濕溫度一體化的數字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠實時的采集本地濕度和溫度。傳感器內部濕度和溫度數據 40Bit 的數據一次性傳給單片機，數據采用校驗和方式進行校驗，有效的保證數據傳輸的準確性。
該傳感器用于檢測棚內的溫濕度，當棚內的溫濕度不在設定值范圍內時，此時主控制板就會通過以太網將數據上傳到PC機，用戶就可以直接通過PC機來監(jiān)測棚內溫濕度情況，并控制棚內電機，使其運行，以達到滿足作物生長條件的目的。
光照強度傳感器：光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。本項目中我本采用了光敏電阻傳感器，可以檢測周圍環(huán)境的亮度和光照，具有靈敏度可調的優(yōu)點，其工作電壓為3.3V。該傳感器用于檢測大棚內的光照強度，當棚內光照強度不足時，補光燈會自動開啟，進行補光，滿足大棚內農作物光合作用是對光照的要求。
2.5電機及補光燈驅動模塊
在項目模型中，采用L298N雙H橋電機驅動芯片驅動電機和補光燈，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機，具有過電壓和過電流保護、PWM脈寬平滑調速、可實現(xiàn)正反轉等特點。該驅動模塊采用了兩塊L298N芯片，可對三臺電機和補光燈進行控制.
2.6電源模塊
電源模塊是任何裝置都不可缺少的一部分，由于參與本設計的模塊眾多，我們制作了AC-DC converter 交直流轉換電源模塊，可輸出+24/+15V/-15V/+5V電壓，并采用一個正向低壓降穩(wěn)壓器AMS117-3.3，獲得+3.3V電壓.
3.系統(tǒng)軟件設計
該智能大棚的軟件系統(tǒng)，通過主程序調用多種中斷子程序來實現(xiàn)，包括定時器中斷、A/D 中斷和端口中斷。主程序主要負責系統(tǒng)時鐘、鍵盤中斷、液晶屏、內部 AD、定時器 A B、IIC 及各種參數設置的初始化。項目系統(tǒng)軟件框架如下圖所示：
4.系統(tǒng)創(chuàng)新
(1)使用獨立以太網控制器，傳輸數據時穩(wěn)定、傳輸速率快;
(2)開發(fā)系統(tǒng)成本低、功能強;
(3)使用基于 Internet 的物聯(lián)網來實現(xiàn)精確而專業(yè)的蔬菜管理，放寬了菜農的蔬菜種植水平
5.結論
本智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線通信方式實現(xiàn)系統(tǒng)各組件之間的通信，使數據檢測從機具備極高的安裝和操控靈活性。同時通過對云服務器的使用實現(xiàn)了數據的備份和遠程實時監(jiān)控，經長時間測試，運行效果良好，數據采集和上傳更新穩(wěn)定，可以滿足農業(yè)大棚所需的基礎智能監(jiān)控功能。
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