一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚控制系統(tǒng)*

*本項(xiàng)目在2021年中國(guó)研究生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲省級(jí)一等獎(jiǎng)，受中央高校科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目支持（QTZX22093、RW200144）

與世界上農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，中國(guó)的農(nóng)業(yè)科技水平較低，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)人口比例極大的情況下，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值不高。作為一個(gè)以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的國(guó)家，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備，農(nóng)民基本憑經(jīng)驗(yàn)種植，導(dǎo)致用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源、農(nóng)藥、化肥等都在飛速增長(zhǎng)，但農(nóng)業(yè)產(chǎn)量依然較低。本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，針對(duì)溫室大棚作物的生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)各類環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和相關(guān)生產(chǎn)流程的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的增收。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)整體可分為4 部分：①是以STM32L010 芯片為核心的主控系統(tǒng)；②包括溫濕度傳感器HDC1080、光照傳感器OPT3001、監(jiān)控?cái)z像頭等監(jiān)測(cè)設(shè)備和繼電器、電磁閥等控制設(shè)備；③是基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。④是數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，包括手機(jī)APP、大屏終端和服務(wù)器。整體系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 系統(tǒng)工作過(guò)程

采集節(jié)點(diǎn)每 5 min 喚醒 1 次，讀取傳感器數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)正常則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 flash 中，讓節(jié)點(diǎn)掉電，進(jìn)入低功耗模式并等待定時(shí)喚醒；若數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警上下限則將 flash 中數(shù)據(jù)通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器。服務(wù)器通過(guò) MQTT 協(xié)議廣播數(shù)據(jù)，用戶在手機(jī) APP 或者大屏終端上獲取大棚環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)自動(dòng)下發(fā)控制命令?？刂乒?jié)點(diǎn)收到后控制水閥和風(fēng)機(jī)的運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的調(diào)整，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節(jié)點(diǎn)

MCU 采用 STM32L010K8T6，待機(jī)模式下電流 0.23 uA, 內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、通用定時(shí)器（GPTIM）等外設(shè)。

定時(shí)器模塊采用時(shí)基芯片 TPL5110DDC+ 模擬開(kāi)關(guān) TS5A3160DBV。通過(guò)外圍電阻選擇定時(shí)時(shí)間為 5 min，若 MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)正常，則寫入 flash 并發(fā)送高電平控制模擬開(kāi)關(guān)關(guān)斷電源。若 MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)異常，則將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，當(dāng)收到掉電命令后，再控制模擬開(kāi)關(guān)關(guān)斷電源。

2.1.2 溫濕度傳感器

本文采用低功耗的數(shù)字溫濕度傳感器 HDC1080，該傳感器通過(guò) I²C 總線與 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能以超低功耗提供出色的測(cè)量精度。依照芯片對(duì)應(yīng)的通信時(shí)序圖，編寫了基于 I²C 通信協(xié)議的使用程序。

圖2 I²C通信時(shí)序圖

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊

采用中移的物聯(lián)網(wǎng)模塊 M5311，與 MCU 之間通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)。由于 M5311 串口的高電平為 1.8 V，MCU 串口的高電平為 3.3 V，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。M5311 通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)登錄 OneNet 云平臺(tái)后，會(huì)將 MCU 的數(shù)據(jù)通過(guò) MQTT 協(xié)議透?jìng)鞯皆破脚_(tái)上。

2.1.4 控制節(jié)點(diǎn)

通過(guò) 220 V 市電轉(zhuǎn)換為 5 V，然后穩(wěn)壓到 3.3 V 給 節(jié)點(diǎn)供電。控制節(jié)點(diǎn)上電初始化后連接 OneNet 云平臺(tái)，每 10 s 上報(bào)一條報(bào)文作為心跳幀，保持與云平臺(tái)的連接。若收到控制命令，則通過(guò)繼電器和電磁閥控制水閥和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)整大棚的環(huán)境參數(shù)。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機(jī)APP

手機(jī) APP 通過(guò) Android Studio 平臺(tái)使用 JAVA 語(yǔ)言進(jìn)行編程，APP 采用兩級(jí)大棚分區(qū)策略，操作管理更加方便。主界面是整個(gè)棚區(qū)的衛(wèi)星地圖，進(jìn)入每個(gè)大棚后，顯示了環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線。此外，還添加控制命令和攝像頭功能，可以實(shí)時(shí)看到作物的生長(zhǎng)狀況，如圖 3 所示。

圖3 手機(jī)APP界面

2.2.2 大屏終端

大屏終端界面包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線變化、報(bào)警信息、在線設(shè)備統(tǒng)計(jì)和控制狀態(tài)顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警上下限，則在報(bào)警信息處顯示節(jié)點(diǎn)號(hào)、時(shí)間和異常值，便于用戶及時(shí)了解并做出響應(yīng)。

圖4 大屏終端界面

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通過(guò) Keil 平臺(tái)使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要包括系統(tǒng)初始化、采集傳感器數(shù)據(jù)、上傳至 OneNet 云平臺(tái)、接收升級(jí)文件等。工作流程如圖 5 所示。

圖5 MCU工作流程

2.2.4 遠(yuǎn)程升級(jí)

工業(yè) 4.0 時(shí)代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，信息技術(shù)是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的重要因素。嵌入式設(shè)備高度集成，功率較小，功能可裁剪，通信功能強(qiáng)大，便于與其它設(shè)備結(jié)合，因此在新型農(nóng)業(yè)設(shè)備上應(yīng)用極廣。傳統(tǒng)使用燒錄器對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)下載 程序的方式已遠(yuǎn)不能滿足軟件升級(jí)對(duì)高頻次，便攜性，穩(wěn)定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點(diǎn)放到終端設(shè)備本身，這給嵌入式設(shè)備本身增加了不穩(wěn)定性，使其更繁冗，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。

采集節(jié)點(diǎn)在實(shí)際使用時(shí)，一般安裝在較為偏遠(yuǎn)的溫室大棚中?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)不太方便，本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)的 IAP 遠(yuǎn)程升級(jí)功能，利用 NB 網(wǎng)絡(luò)傳輸升級(jí)文件，大大降低了設(shè)備的維護(hù)難度，提升了便利性，如圖 6 所示。

圖6 遠(yuǎn)程升級(jí)框架

本文在 python 端實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程升級(jí)的自動(dòng)化。遠(yuǎn)程升級(jí)開(kāi)始后，由 python 端自動(dòng)下發(fā)升級(jí)報(bào)文，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)成功后，寫入 flash，并上報(bào)下一條升級(jí)包的序號(hào)，python 端自動(dòng)下發(fā)下一條升級(jí)報(bào)文。待所有升級(jí)報(bào)文下發(fā)完成后，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到新的程序開(kāi)始 行。流程圖如圖 7 所示。

圖7 遠(yuǎn)程升級(jí)流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗智慧大棚控制系統(tǒng)，硬件和軟件經(jīng)測(cè)試均可正常運(yùn)行，配合 3 000 mAh 可充電鋰電池能使用 90 d。本系統(tǒng)能檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境并自動(dòng)做出調(diào)節(jié)，使作物一直處于合適的生長(zhǎng)環(huán)境，增加作物的產(chǎn)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]?CHRISTINE?P?T,黃為民,項(xiàng)鳳華,等.智慧農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化[J].新農(nóng)業(yè),2021(17):92-93.

[2]?董明星.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2021,17(19):120-127.

[3]?許愛(ài)萍.天津智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中的主要問(wèn)題與解決路徑[J].世界農(nóng)業(yè),2017(3):198-203.

[4]?楊大蓉.中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(4):1-2.

[5]?楊瑛,崔運(yùn)鵬.我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)發(fā)展[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2015(6):34-37.

[6]?陳強(qiáng).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2020(8):80-82.

[7]?戴起偉,曹靜,凡燕,等.面向現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)模式設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,28(5):1173-1180.

[8]?徐海斌,王鴻翔,楊曉琳,等.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(5):398-400.

(注：本文源自《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期)