基于阿里云平台的温室大棚远程监控系统_马爱霞.pdf

基于阿里云平台的温室大棚远程监控系统 马爱霞 河南工业贸易职业学院 郑州 4 5 0 0 5 3 摘要 综合各种技术和实际需求 文章设计了基于物联网 云平台技术的温室大棚控制系统 硬件核心控制器 用S O C芯片C C 2 5 3 0实现数据处理和信号传输 采集数据使用的传感器有温度传感器D S 1 8 B 2 0 土壤湿度传感器 M H T R 5 1 光照传感器G M 5 5 1 6 C O 2传感器M H Z 1 9 B 红外传感器H C S R 5 0 1 数据经过C C 2 5 3 0采集 传输 自 组网 最后由协调器汇总 经W i F i芯片E S P 1 2 F上至传阿里云平台 通过软件编程 云平台页面设置实现硬件采 集与云平台数据展示同步 手机 电脑可登录云平台查看实时数据 在手机端A P P可实现远程控制水泵 风机等 关键词 云平台 温室大棚 C C 2 5 3 0 W i F i 远程监控 0 引言 农业是安民之基 治国之要 随着科技发展 把传感器 物联网 云平台等新技术应用到农业领域是当今 发展之需 智能温室是现代智慧农业的一种重要实现形式 应用新技术构建智能温室可以解决作物生长受 外界自然条件制约的问题 实现作物生长环境精准调控 从而实现作物优质高产 1 我国温室大棚发展始于2 0世纪8 0年代 发展过程中有许多成熟的研究案例 吕圣林等 2 基于C C 2 5 3 0 芯片设计的智能监控系统经过实地测试 可以实现对温室大棚温湿度 光照强度 烟雾浓度和土壤温湿度的 信息采集 张天恒等 3 基于Z i g B e e技术设计了一款大棚监控系统 可以实现温湿度 光照亮度 C O 2浓度参 数采集 赵智斌等 4 以W i F i实现数据通信 以微处理器H i 3 8 6 1为控制器 搭建温室控制系统 吴雪雪 5 基于无线通信技术N B I o T 以S T M 3 2 F 1 0 3 C 8 T 6为主处理器 O c e a n C o n n e c t D E V为物联网云平台 设计 了一款农作物大棚监测系统 王楠 6 以L o R a无线方式组网 以S 3 C 2 4 4 0芯片作为处理器 搭建农业大棚环 境采集系统 实现数据实时监测 雷禹等 7 采用处理器S T C 8 9 C 5 8 R D 进行数据处理 通过蓝牙技术把数 据传输给手机 实现温室大棚环境的远程监测 魏秋娟等 8 以S T M 3 2单片机为核心控制器收集信息 用 Z i g B e e通信技术传输收集的数据并自组网 协调器汇总后的数据通过5 G通信技术传输至显示终端 综合分析以上已有案例 温室大棚可使用多种传感器采集大棚内温度 C O 2浓度 光照强度等参数 使 用Z i g B e e W i F i L o R a 蓝牙等无线传输技术传输数据 网关实现信息的汇聚后 用光纤 W i F i 4 G 5 G等技 术上传信息至云平台 本研究查阅了多种技术方案的实现路径 对比了当前技术的实现形式 通信技术功 耗 通信距离远近 技术成本等因素 并实地调研了当代农民对温室大棚控制参数的需求 设计出基于阿里云 平台的远程温室大棚监控系统 该设计采用功耗低 组网灵活的Z i g B e e通信技术实现信息收集 传输 无线 自网 信息汇总后由W i F i模块上传至国内最大云平台 该设计系统可实现信息采集 控制设备联动 用户 能在远程随时随地登录云平台查看参数 根据温室参数调整控制设备的开关 具有参数查询实时性 设备控 制灵活性等优势 1 整体设计 综合各种技术的优劣 针对农民对参数 成本 规模的需求 该温室大棚控制系统由感知层 网络层 应用 层组成 感知层由温度传感器 土壤湿度传感器 光照传感器 C O 2传感器组成 用以实现大棚内参数采集 网 络层传感器间数据传输由Z i g B e e通信技术实现 C C 2 5 3 0传感器节点完成数据的采集 传输 自组网 协调 器节点统一汇聚数据并经W i F i无线技术上传云平台 应用层完成电脑端云平台界面参数设置 手机A P P 收稿日期 2 0 2 5 0 4 2 4 基金项目 河南省高等学校重点科研项目 2 5 B 5 1 0 0 0 6 作者简介 马爱霞 1 9 8 3 女 河南鹿邑人 硕士 副教授 主要研究方向为智能农业 智能仓储 95 现代化农业 2 0 2 6年第3期 总第5 6 0期 与云平台绑定连接设置 实现云平台实时显示数据 手机远程查看数据及设备开关 如水泵 卷帘 风机 报警 器等 通过参数阈值设置可实现传感器测量参数与控制设备联动 如土壤湿度太低可自动打开水泵开关等 2 系统硬件选型 2 1 核心控制器 本设计核心控制器采用美国T I公司的C C 2 5 3 0射频芯片 它是T I公司针对2 4 G H z I S M频带推出的 第二代支持I E E E 8 0 2 1 5 4和Z i g B e e应用协议的片上系统 S o C 集成芯片 集成增强工业标准8 0 5 1 C P U及 高性能的R F收发器 智能终端节点的数据采集 任务调度 通信状态 协调器节点的数据处理融合 通信协 议 路由协议等都由C C 2 5 3 0芯片实现 2 2 温度传感器 温室大棚内的温度直接影响农作物的生长 温度太高或太低都会导致农作物生长停滞 产量降低 9 本 设计用防水型D S 1 8 B 2 0温度传感器采集棚内温度 该传感器在环境潮湿时 也能发挥较好作用 此外 该传 感器输出数字式数据 传输距离较远时不会产生衰减 D S 1 8 B 2 0芯片结构简单 有V C C G N D D Q三个端 口 本设计中V C C接3 3 V G N D接电路地 D Q端接C C 2 5 3 0芯片的P 0 7 2 3 土壤湿度传感器 土壤湿度传感器为农业生产提供科学决策依据 帮助农户合理安排灌溉 施肥等农事活动 土壤湿度过 高会导致土壤通气性变差 影响根系呼吸 甚至引发根腐病等病害 为实时监测温室大棚中土壤的湿度情 况 本设计选用M H T R 5 1模块 该模块检测探头易于插入土壤 具有防腐蚀功能 模块配有数据处理电路 灵敏度可调 电路有V C C G N D A O D O四个端口 设计中用V C C G N D A O三个端口 V C C接3 3 V G N D接电路地 A O端接C C 2 5 3 0芯片的P 0 5 该传感器工作时金属探针插入土壤 探针间的阻值随土壤湿 度的增加而减小 A O电压随之变化 1 0 2 4 光照强度传感器 光照是作物光合作用的关键因素 直接影响作物的产量 本设计的光照模块是G M 5 5 1 6 1 1 芯片可以 对采集数据进行处理且灵敏度可调 输出有V C C G N D A O D O四个端口 本设计使用V C C G N D A O三 个端口 V C C接3 3 V G N D接电路地 A O端接C C 2 5 3 0芯片的P 0 4 2 5 C O 2传感器 C O 2是光合作用的重要原料 其浓度对植物的生长发育 光合效率 作物产量有显著影响 1 2 C O 2传感 器选用M H Z 1 9 B 它利用非色散红外 N D I R 原理对空气中存在的C O 2 进行探测 具有选择性好 无氧气依 赖性 寿命长等优点 M H Z 1 9 B芯片有V C C G N D T X R X P W M五个端口 本设计中V C C接电路上的 5 V电压端 G N D接电路地 T X端接C C 2 5 3 0电路中芯片的P 0 2 R X端接C C 2 5 3 0电路中芯片的P 0 3 2 6 红外检测模块 红外传感器具有识别人体的功能 使用该模块放置温室入口 可以在温室大棚管理人员外出后进行布 防 检测有无外人入侵 实现防盗报警功能 1 3 本设计选用的红外感应模块是H C S R 5 0 1 该模块灵敏度 高 可靠性强 能在较小的角度感应人体 该模块有全自动感应功能 可以感应到人体并输出高电平 人离开 后会自动产生延时并变换为低电平 该芯片有V C C G N D O U T三个端口 本设计V C C接5 V G N D接电 路地 O U T端接C C 2 5 3 0芯片的P 0 6端口 2 7 W i F i通讯模块 本设计利用W i F i通信模块将传感器采集的温室作物环境数据传输到云端 W i F i通信模块在植物环 境监测中提供了高效 便捷的解决方案 能够显著提升植物生长环境的管理效率和智能化水平 本设计中的 W i F i模块采用E S P 1 2 F 该模块具有尺寸小 电路接口丰富 功耗低 传输速度快 通信协议简单等优点 且 内嵌T C P I P 协议 传输数据方便 本设计的协调器通过U S A R T串口和该模块通信 通过发送A T命令完 成配置 全双工通信使终端和底层硬件完美结合 提高了数据传输的实时性 设计中将 W i F i模块与单片机 的串口2相连 06 现代化农业 2 0 2 6年第3期 总第5 6 0期 3 系统硬件实现 3 1 传感器节点 传感器节点采集温室作物生长环境参数 由控 制器搭配传感器实现 通过对环境数据的精准监测 和分析 数据采集系统可以帮助优化资源配置 从而 减少浪费 通过大数据分析和机器学习算法 系统 可以预测作物的生长趋势和潜在风险 为种植决策 提供科学依据 本设计中传感器节点各引脚与控制 器C C 2 5 3 0引脚的连接如表1所示 表1 传感器和控制器连接 传感器型号控制器引脚采集数据 D S 1 8 B 2 0 P 0 7温室温度 M H T R 5 1 P 0 5土壤湿度 G M 5 5 1 6 P 0 4温室光照强度 M H Z 1 9 B T x P 0 2 R x P 0 3温室C O 2浓度 H C S R 5 0 1 P 0 6人员进入温室情况 3 2 协调器节点 协调器节点是将采集数据和远程监控系统结合的重要枢纽 可将采集到的数据传输到监控平台 本设 计的协调器节点是整个温室控制系统的数据汇聚中心 协调器节点通过软件在I A R环境编程后 下载程序 时定义 硬件搭建完成 软件编程设计后 系统会将采集到的数据通过Z i g B e e技术 以无线方式传输至自组 网 并在汇聚节点汇总数据 通过W i F i无线技术传输数据到云平台 协调器节点上的W i F i模块与单片机 串口2相连 4 系统软件设计 4 1 感知节点软件设计 终端节点主要任务包括 加入无线网络 采集传感数据并发送 接收命令 其工作流程具体如下 上电初 始化 搜索网络并申请加入 定时采集数据并发送 进入休眠状态 等待下一次被唤醒 具体来说 终端节点启 动之后 对系统和外围硬件电路进行初始化 之后进入网络扫描 发现网络并请求加入 终端节点主要负责 温室内温度 土壤水分 温室内光照强度等参数的采集 为降低节点的功耗 在无需进行采集任务时 通过电 源开关电路断开各个传感器供电电源的同时 节点进入低功耗的休眠模式 下一次采集周期到来时 通过定 时器对其进行唤醒 采集终端无线网络软件是基于T I公司的Z S t a c k协议栈 采用I A R E m b e d d e d W o r k b e n c h I D E环境对C C 2 5 3 0进行开发的 I A R集成了C C 编译器 汇编器 编辑器和调试器等 方便节点 程序开发 调试等工作 4 2 汇聚节点软件开发 汇聚节点作为温室监测系统A R M网关的协调器 需处理的数据最多 计算功能最为复杂 其主要任务 有三个 负责感知节点网络的启动 信道参数的配置和网络其他成员地址分配与绑定 采集温室环境中 各类传感器的数据 作为温室Z i g B e e网络和远程服务器连接的桥梁 收集其他子节点的数据 并经W i F i 模块将数据上传至阿里云服务器 汇聚节点系统启动后开始扫描信道并进行网络的创建 网络创建完成后 向周围广播自己的I D号和信道信息 此后 进入Z s t a c k的操作系统进行任务事件轮询机制 所需轮询的任 务通过数组进行定义 并调用函数对任务的优先级进行排序 5 系统测试 5 1 电脑登录云平台测试 完成硬件设计和软件编程后 使用仿真器把编辑好的软件下载到对应的传感器节点及协调器节点 使 用浏览器登录阿里云飞燕平台创建项目 设置参数 实现云平台与硬件连接 设置完成后 可登录云平台页 面查看温室内传感器实时采集的数据 也能查看历史数据 特定时间段内环境参数等 此外 也可借助系统 内置分析工具 如调用实时数据源 对比数据 生成统计图表及折线图等 通过这些分析工具 可以分析作 16 现代化农业 2 0 2 6年第3期 总第5 6 0期 物生长状态与环境参数间的关系 得到作物生长对环境参数的精细需求 优化种植策略 为大棚管理者提供 技术支撑 实现灌溉 通风 遮阳等操作指导的精细化 本设计云平台显示页面参数设置将大棚内的 C O 2传感器输出范围设置为0 1 0 0 根据C O 2传 感器测量的实际参数与设置显示数据量程比例计算 出的C O 2浓度关系见表2 登录云平台设置显示参数时对光照强度的数值 按0 1 0 0设定 其传感器测量数据范围与显示数值 对应关系说明见表3 表2 C O 2标定与大棚状态调整分析表 读数 0 1 0 0 C O 2浓度 m g L大棚状态 0 1 0 0 1 0 0 0严重不足 需紧急补气 1 6 2 4 1 6 0 0 2 4 0 0理想光合作用范围 2 5 3 0 2 4 0 0 3 0 0 0偏高 可接受但需监测 3 0 3 0 0 0过高 需通风 表3 光照强度标定与作物需求对照表 输出数值 0 1 0 0 光照强度 m o l m 2 s 环境状态作物生长建议 0 1 0 0 1 0 0 0 0夜间 完全黑暗作物休眠 无需光照 1 0 3 0 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0阴天 晨昏弱光耐阴作物 如蘑菇 生菜 3 0 6 0 3 0 0 0 0 5 0 0 0 0多云或遮阳条件叶菜类 菠菜 油菜 适宜生长 6 0 8 0 5 0 0 0 0 7 0 0 0 0晴天中等光照果菜类 番茄 黄瓜 开花期需求 8 0 1 0 0 7 0 0 0 0 8 0 0 0 0 强日照或全光谱补光高光作物 草莓 辣椒 结果期最佳光照 5 2 手机登录云平台测试 用户可以通过电脑平台或手机A P P查看实时 数据 手机A P P界面简洁直观 可以展示温室环境 实时数据 通过参数阈值设置可以实现传感器与控 制设备远程联动 如当观察到温室土壤湿度过低 则 可打开水泵的开关 C O 2浓度太高则打开风机 光 线太强则关闭遮阳棚等 5 3 系统性能测试 设计的系统测试在郑州市金水区诚信草莓园1 8号大棚进行 在大棚中放置多个传感器节点 一个协调器节点 构建无线传感器网络 实时采集环 境信息 并将采集到的信息发送到远程监控中心 通过为期3个月的数据记录和性能测试 系统可以 实现对草莓园温室内温度 土壤湿度 C O 2浓度 光 照强度等参数的实时监测 通过监测实践反馈得到 表4 数据测量偏差测试表 测试指标指标数据测试数据测试结果 温度控制偏差 0 9 0 8 通过 C O 2控制偏差 5 4 2 通过 光照强度偏差 1 5 6 l x 1 4 8 l x通过 土壤湿度偏差 2 7 2 5 通过 表5 系统性能测试表 测试指标指标数据测试数据测试结果 数据传输延迟 1 1 s 0 9 s通过 系统响应时间 9 5 3 9 5 6 0 通过 数据准确率 9 9 0 9 9 2 0 通过 草莓最佳生长环境数据 即最佳生长温度为2 0 2 5 土壤湿度为6 0 7 0 光照强度为1 5 0 0 0 2 5 0 0 0 l x C O 2浓度为1 6 0 0 2 4 0 0 m g L 测量期间对系统性能数据偏差 响应时间 传输延迟等参数进行记 录并与设计需求进行分析对比 得到的数据见表4 表5 6 结论 通过分析现有技术的优缺点 并参考使用者的需求 本研究设计了一款云平台温室大棚远程监控系统 系统用D S 1 8 B 2 0采集温室温度 M H T R 5 1采集土壤湿度 G M 5 5 1 6采集温室光照强度 M H Z 1 9 B采集温 室C O 2浓度 H C S R 5 0 1采集人员进入温室情况 C C 2 5 3 0作为核心控制和数据传输单元 模块E S P 1 2 F通 过W i F i把汇聚数据上传至阿里云平台 经过性能测试 系统能实现随时登录云平台远程查看数据和操控 设备 系统具有功耗低 实时性好 灵活性强等特点 经运行检验 系统测量的数据偏差在指标范围内 各项 性能均能满足实际需求 26 现代化农业 2 0 2 6年第3期 总第5 6 0期 无人机技术在作物生长监测中的应用 贺伟夕 冀俊豹 苏 宁 赵立强 河北科技师范学院 河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要 基于多光谱遥感 变量喷洒与智能算法的农业无人机技术 已实现从作物监测到植保作业的全链条渗 透 通过精准施药 变量播种等场景化应用 推动农业生产效率提升 同时降低农资消耗 农业无人机正加速向智 能决策 低碳运维 多任务协同作业方向演进 逐步成为推动现代农业体系向数字化 可持续化转型的关键支撑设 备 文章介绍了无人机的类型 特点以及监测系统的组成 探讨了无人机技术在监测农田作物生长中的应用 分析 了该技术在农业生产过程中面临的挑战与局限 并预测其未来发展趋势 旨在为农业管理者提供科学决策支持 关键词 无人机技术 数据采集 作物长势 精准施肥 病虫害监测 1 无人机技术概述 1 1 无人机类型及特点 随着精准农业需求升级 无人机技术通过多维感知 智能决策 精准执行的技术闭环 正在重构传统农业 生产模式 根据飞行平台结构差异 当前主流农业无人机可分为多旋翼无人机 固定翼无人机和垂直起降固 定翼无人机 1 1 1 1 多旋翼无人机 多旋翼无人机被称为 灵活作业的田间执行者 它垂直起降 悬停精准 但续航短且 载重有限 多适用于小地块和复杂地形的农药喷洒和局部监测工作 1 1 2 固定翼无人机 固定翼无人机被称为 广域监测的空中扫描仪 机翼提供持续的升力 飞行过程中 消耗的电力或燃料相对较少 因此能够实现更长时间和更远距离的飞行 它特别适合搭载高光谱相机执行 农业监测和数据采集任务 但固定翼无人机操作复杂且需要较长的起降距离 要求有足够大的开放空地或专 门的跑道 与多旋翼无人机相比 其起降受地形限制较大 收稿日期 2 0 2 5 0 3 2 0 作者简介 贺伟夕 1 9 9 9 女 河北石家庄人 在读硕士 研究方向为机器视觉与农业信息化 冀俊豹 2 0 0 1 男 河北邯郸人 在读硕士 研究方向为智慧农业与智能系统 苏宁 1 9 8 6 男 安徽宿州人 在读硕士 研究方向为计算机视觉与图 像识别 通讯作者 赵立强 1 9 6 8 男 河北秦皇岛人 博士 研究方向为机器视觉与智能信息处理 7 参考文献 1 皮轶轩 张锦水 马然 等 基于深度学习的温室大棚实例识别及模型迁移 J 农业工程学报 2 0 2 3 3 9 2 3 1 8 5 1 9 5 2 吕圣林 文裕 梁慧 基于C C 2 5 3 0温室大棚智能监控系统设计与测试 J 广西农学报 2 0 2 4 3 9 4 1 0 7 1 1 4 3 张天恒 刘小枫 瞿宝华 等 基于Z i g B e e的温室大棚环境远程监控系统设计 J 重庆理工大学学报 自然科学 2 0 2 0 3 4 6 2 0 0 2 0 4 4 赵智斌 熊伟 曹珈恺 等 基于开源鸿蒙操作系统的物联网温室大棚控制系统 J 物联网技术 2 0 2 5 1 5 4 1 0 2 1 0 6 5 吴雪雪 基于N B I O T的农作物大棚监测系统研究 J 农机化研究 2 0 2 3 4 5 1 1 1 2 2 1 2 6 6 王楠 基于L o R a无线传感网络的农业温室大棚环境测控系统设计 J 计算机测量与控制 2 0 2 4 3 2 8 1 0 0 1 0 7 7 雷禹 刘忠富 马雅盼 等 基于蓝牙通信技术的无线温室大棚环境监测系统设计 J 山西电子技术 2 0 1 8 1 4 5 4 7 5 5 8 魏秋娟 丛伊 杜娟娟 等 基于5 G网络的农业大棚环境监测系统设计与实现 J 物联网技术 2 0 2 4 1 4 1 0 2 0 2 3 9 李艳 吴忠贤 刘晨 等 基于物联网的智慧温室大棚光热系统设计 J 江苏农机化 2 0 2 4 5 5 8 1 0 冼进 冼允廷 基于S T M 3 2的智慧农业大棚系统设计 J 现代电子技术 2 0 2 3 4 6 4 7 0 7 4 1 1 魏韬 基于Z i g B e e无线传感网络的大棚数据采集系统的设计 D 淮南 安徽理工大学 2 0 1 9 1 2 姜文卿 华有斌 钱晓山 等 基于单片机的农业大棚控制系统设计 J 科学技术创新 2 0 2 2 1 9 8 4 8 7 1 3 孙雪蕾 党丽峰 蔬菜大棚红外防盗无线报警装置 J 农业装备技术 2 0 1 8 4 4 5 3 9 4 1 0 2 4 36 现代化农业 2 0 2 6年第3期 总第5 6 0期