连接云平台的智能温室大棚检测系统.pdf

８６ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｅｒｓ ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０１９年第９期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ 连接云平台的智能温室大棚检测系统＊杨鹏 ，包本刚 ，陈小雷（湖南科技学院 电子与信息工程学院 ，永州４２５１９９）＊基金项目 湖南科技学院大学生研究型学习与创新性实验项目资助 湘科院教发 ［２０１８］３２号 ＮＯ．０３。摘要 在当今智能化的背景下 ，传统的管理方式已无法满足对温室大棚的实时检测与控制 。智能温室大棚控制系统通过网络连接云平台 、温室终端和用户 ，实现用户对大棚内环境 （土壤温湿度 、土壤酸碱度 、空气湿度等 ）的实时检测与控制 ，从而减少人工看护 ，降低成本 。关键词 云服务 ；温室检测 ；ＳＴＭ３２；ＥＳＰ８２６６中图分类号 ＴＰ２１６ 文献标识码 ＡＩｎｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｌｏｕｄ ＰｌａｔｆｏｒｍＹａｎｇＰｅｎｇ，Ｂａｏ Ｂｅｎｇａｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｘｉａｏｌｅｉ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙｏｎｇｚｈｏｕ ４２５１９９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＵｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｅｃｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｎｏｔ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎ－ｔｒｏｌ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｉｇｅｎｔ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｎｅｃｔｓ ｔｈｅ ｃｌｏｕｄ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｎｄ ｕｓｅｒｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ（ｓｏｉｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｓｏｉｌ ａｃｉｄｉｔｙ ａｎｄ ａｌｋａｌｉｎｉｔｙ，ａｎｄ ａｉｒｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ）ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌａｂｏｒ ｃａｒｅ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｌｏｕｄ ｓｅｒｖｉｃｅｓ；ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＳＴＭ３２；ＥＳＰ８２６６引言随着物联网产业的迅速崛起 ，其应用已经延伸到了人们生活中的各个方面 ，在现代的农业生产中同样出现了物联网的身影 ，特别是智能温室蔬菜大棚远程监控系统极大地提高了农业的生产力 。目前智能温室大棚远程监控系统采用的设计方案往往结构比较复杂 ，如ＺｉｇＢｅｅ自组网＋ＡＲＭ（嵌入Ｌｉｎｕｘ系统 ）＋通信模块＋商业云平台 。由于子系统较多 ，采用的模块较为复杂 ，所以实现成本较高 ，难度较大 。［１］本文基于云服务的温室检测系统 ，采用ＳＴＭ３２为主控芯片＋ＥＳＰ８２６６无线通信模块 ，无需运行Ｌｉｎｕｘ和Ｚｉｇ－Ｂｅｅ协议栈［２］，且子系统和模块较少 ，使得整个系统实现起来相对容易 ，成本较少 ，维护比较简单 ，是温室测控系统的理想选择 。１ 系统架构如图１所示 ，整个检测系统分为３个部分 温室服务器 、乐联云 、用户终端 。用户通过乐联云可以实时获取温室大棚内的环境参数并能做出调整 。温室服务器通过乐联云向用户反馈数据 ，并接收用户命令 。乐联云提供数据的存储 、检测 ，数据命令的转发 ，紧急情况下向用户报警的功能 。２ 温室服务器下位机设计原理如图２所示 ，温室服务器ＭＣＵ采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６图 １系统示意图芯片 ，该芯片拥有５１２ＫＢ ＦＬＡＳＨ，含有多达５路ＵＡＲＴ、１６路ＡＤＣ比较器 、８个ＴＩＭ定时器等资源 。特别是其多达１４４个引脚和超低的功耗十分适合系统需求 。通信模块采用的是ＥＳＰ８２６６模块 ，通过连接ＷｉＦｉ进行上网［３］，其具有操作指令简单 、使用方便 、连接容易等优点 。采用ＡＴ指令联网时只需３条指令 ，网络断开自动重连 ，使用ＵＡＲＴ和ＭＣＵ进行通信［５］。３ 系统硬件设计３．１ 数据采集模块设计如 图３所 示 ，采 用ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６作为主控制芯片 ，实现终端数据采集功能 ，并且通过ＥＳＰ８２６６将采集 的 土 壤 、空 气 温 湿 度 、敬请登录网站在线投稿２０１９年第９期８７ 图 ２温室服务器框架图光照强 度 、ＣＯ２浓 度 等终端 数 据 通 过ＨＴＴＰ协议 打 包 上 传 到 乐 联网平 台 。在 物 联 网 农业温室大棚中 ，实现对各种 数 据 的 实 时 监 控必须接入相应的传感器 ，本系统的传感器数据采集部分共分为空气温度采集 、空气湿度采集 、土壤温度采集 、土壤湿度采集 、光照强度采集 、ＣＯ２浓度采集 ，其中采集空气温湿度数据使用数字温湿度传感器ＤＨＴ１１，土壤温度采集使用ＤＳＰ１８Ｂ２０数字传感器 ，光照强度采集使用ＴＳＬ２５６１光学数字传感器 ，土壤湿度采用土壤湿度检测模块 ，ＣＯ２浓度采用二氧化碳浓度测量检测模块 。图 ３数据采集设计原理图３．２ 控制模块设计如图４所示 ，控制电路使用ＴＬＰ５２１－４芯片＋ＳＲＤ－０５－ＶＤＣ继电器组合的方式控制２２０Ｖ电源通断的方式 ，从而实现对外部不同亮度的光进行远程监控 、温室的排风机控制 、温室加热装置的控制 、对温室滴灌装置的控制 、对温室卷帘装置的控制 。图 ４控制电路３．３ 电源设计方案１采用４节干电池 （１．５Ｖ）实现检测系统下位机ＭＣＵ和各个模块所需要的５Ｖ电源需求 ，使用２２０Ｖ交流电对控制模块进行供电 。方案２采用电源适配器作为下位机的电源 ，提供５Ｖ电压 ，最大２．５Ａ电流 。采用ＡＤＳ－２５ＦＳＧ－０６电源适配器 。方案１结构简单 ，实现容易 ，且更加符合大棚环境下的使用 ，所以最终电源方案使用方案１。４ 系统软件设计通过ＥＳＰ８２６６ＷｉＦｉ模块上传数据 ，通过ＡＴ指令控制ＥＳＰ８２６６模 块 。ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＺＥＴ６通 过 串 口 与ＥＳＰ８２６６通信 。登录乐联网平台 （云平台 ），将数据按一定格式发送到平台 。各个检测模块和控制模块在各模块时序的控制下通过ＭＣＵ的Ｉ／Ｏ引脚与ＭＣＵ进行通信 。其中ＵＡＲＴ１的引脚为ＰＡ１０（ＴＸＤ）、ＰＡ９（ＲＸＤ），波特率为１１５ ２００。（１）ＥＳＰ８２６６ＥＳＰ８２６６的ＡＴ指令如表１所列 。表 １ＥＳＰ８２６６的 ＡＴ指令指令 功能ＡＴ 测试ＡＴ＋ＣＷＪＡＰ 连接 ＷｉＦｉＡＴ＋ＣＩＰＳＴＡＲＴ 登陆云平台ＡＴ＋ＣＩＰＭＯＤＥ＝１ 选择透传模式ＡＴ＋ＣＩＰＳＥＮＤ 开启透传数据上传格式为 用户认证 ｛“ｔ“ １，“ｄｅｖｉｃｅ“ “ 用户名 “ ，“ｋｅｙ“ “ 设备号 “ ，“ｖｅｒ“ “ｖ１．１“ ｝数据上传 ｛“ｔ“ ３，“ｄａｔａｔｙｐｅ“ １，“ｄａｔａｓ“ ｛“ 传感器号 “ 值 ｝，“ｍｓ－ｇｉｄ“ １３｝（２）ＤＨＴ１１模块首先主机发送开始信号 ，即拉低数据线 ，保持ｔ１（至少１８ｍｓ）时间 ，然后拉高数据线ｔ２（２０～４０μｓ）时间 ，然后读取ＤＨＴ１１的响应 ，正常情况下 ，ＤＨＴ１１会拉低数据线 ，保持ｔ３（４０～５０μｓ）时间 ，作为响应信号 ，然后ＤＨＴ１１拉高数据线 ，保持ｔ４（４０～５０μｓ）时间后 ，开始输出数据 。（３）ＤＳ１８Ｂ２０模块单总线上的所有通信都是以初始化序列开始 。主机输出低电平 ，保持低电平时间至少４８０μｓ，以产生复位脉冲 。接着主机释放总线 ，４．７ｋΩ的上拉电阻将单总线拉高 ，延 时１５～６０μｓ，并进入接收模式 （Ｒｘ）。接 着ＤＳ１８Ｂ２０拉低总线６０～２４０μｓ，以产生低电平应答脉冲 。４．１ 系统初始化如图５所示 ，初始化系统滴答时间ｄｅｌａｙ＿ｉｎｉｔ（），用于８８ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｅｒｓ ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０１９年第９期ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ 图 ５系统初始化流程图基本时间延时 ；初始化系统中断优先 级ＮＶＩＣ＿ＰｒｉｏｒｉｔｙＧｒｏｕｐＣｏｎｆｉｇ（）；初始化串口１，波特率为１１５２００，ｕａｒｔ＿ｉｎｉｔ（１１５２００）；初 始 化ＬＣＤ显示器 ，ＬＣＤ＿Ｉｎｉｔ（）；下位机人机交互初始化定时器６，１００ｍｓ中 断 一 次 。ＴＩＭ６＿ＴＩＭ６＿Ｉｎｉｔ（１０００，７１９９）；初始化矩阵键盘 ，Ｍａｔｒｉｘ＿Ｉｎｉｔ（），初始化关照采集 ，参考电压为３．３Ｖ。ｉＬＬｕｍｉｎａｔｉｏｎ＿Ｉｎｉｔ（）；初始化ＬＥＤ、风扇 、滴灌 、加热装置连接引脚 。初始化串口２，波 特 率 为１１５ ２００，用 于 和ＥＳＰ８２６６建立连接 。初始化ＥＳＰ８２６６，发送ＡＴ指令 。登陆乐联网云平台 。开启定时器６，用于系统刷新 。４．２ 数据采集模块软件设计通过在室内安装的采集模块对室内环境数据进行采集 。主要有ＤＨＴ１１模块对空气的温湿度使用串行通信 ，按照时序读取模块数据获取当前环境的温度和湿度 。数据采集后会与预定值进行比较 ，通过比较结果判断对系统的控制 ，实现对温室的控制 。土壤的温湿度 、ＣＯ２的浓度 、光照强度等通过温湿度采集模块 （ＤＨＴ１１）、土壤温湿度采集模块 （ＤＳＰ１８Ｂ２０）、ＣＯ２浓度采集模块 、光照强度采集模块 （ＴＳＬ２８６１）实现 。数据采集流程图如图６所示 。４．３ 设备控制模块软件设计如图７所示 ，设备控制模块主要有自动模式和手动模式两种 。自动模式下 ，系统通过采集的数据与预设值进行比较 ，当采集值与预设值不匹配时 ，系统就会自行发送指令控制相关的设备 ，使得不匹配数值回到正常状态 。手动模式下 ，通过云平台获取用户对系统的控制指令 ，根据用户的意愿开启或关闭相关设备 。图 ６数据采集流程图图 ７设备控制流程图通过控制引脚的电平控制ＳＲＤ－０５继电器模块实现对各个外设的通断电控制 ，在满足条件下打开相应的设备 。当数据异常时进行调整 ，数据正常时断电 。５ 乐联云搭建和使用５．１ 云平台介绍如图８所 示 ，登陆乐联网云平台ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．Ｌｅ－ｗｅｉ５０．ｃｏｍ。在 “我的设备列表 ”中可以看到用户当前的所有设备 。在 “设备添加界面 ”中可以添加设备 ，设置设备标识 、类型 、数据刷新时间 、设备名称 、是否可控 （设备分为两种 可控设备和非可控设备 ）。在当前用户中标识是唯一的 ，数据的上传和命令控制都是通过设备标识进行的 。一个下位机服务器需要添加两个设备 ，一个非可控设备用来接收下位机服务器数据采集模块的数据 ，一个可控设备用来接收用户终端的命令 ，下发给相应的控制器 ，从而实现对下位机服务器控制模块的控制 。图 ８乐联网云平台５．２ 传感器列表如图９所示 ，在这里将为下位机服务器的所有数据采集模块添加传感器 ，一个数据采集模块对应一个传感器 。添加了６个传感器分别对应空气温度采集 、空气湿度采集 、土壤温度采集 、土壤湿度采集 、光照强度采集 、ＣＯ２浓度采集 。传感器的值每５分钟刷新一次 ，刷新时间可在“我的设备 ”接收设备中进行设置 。传感器数值是最后一次上传的数据值 。传感器列表中的传感器都属于非可控设备 。图 ９传感器列表５．３ 控制器列表如图１０所示 ，在这里将为下位机服务器的所有控制模块添加控制器 ，一个控制模块对应一个控制 。控制器列表的传感器都属于可控设备 ，可根据实际需求选择开关控敬请登录网站在线投稿２０１９年第９期８９ 制或者数值控制 ，开关控制只有两种状态 开 ／关 ，对应排风控制 、卷帘控制 、滴灌装置控制 。数值控制用户可设置最大值 、最小值 ，从而实现在区间内的数据选择 ，对应光照强度控制 、加热装置控制 。图 １０控制器列表６ 用户终端的使用（１）ＰＣ网页端如图１１所示 ，ＰＣ端可以打开浏览器 ，进入乐联网ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．Ｌｅｗｅｉ５０．ｃｏｍ，在菜单列表中选择集中控制 ，用户可以看到下位机上传的实时数据 ，通过控制设备控制下位机 。图 １１ＰＣ网页端（２）手机端如图１２所示 ，手机微信关注 “乐为物联 ”公众号 ，点击 “我的物联网设备 ”便可查看当前大棚环境数据并实现远端控制 。图 １２乐为物联公众号结语随着智能农业的发展和人工费用的成本增加 ，基于云服务的温室检测将逐渐取代人工 ，成为未来温室大棚乃至智慧农业的核心 。基于云服务的温室检测系统实现了对温室环境下的土壤温湿度 、空气温湿度 、土 壤 酸 碱 度 、空 气 流 动 状况 、光照强度 、氧气 ／二氧化碳浓度的检测 ，并通过洒水 ，雾化 、加温 、通风 、打开 ／关闭卷帘的方式控制不同模块 ，实现对温室环境的人为控制和通过对比数据的自动控制 。在未来基于云服务的温室检测系统将携手大数据 ，真正实现智慧农业 。基于云服务的温室检测系统还可在智能家居应用中进行扩展 ，实现对家庭环境的检测 ，并增加漏电检测 、一氧化碳 （煤气 ）检测 、火焰报警等特定环境下的系统 。参考文献［１］孙其博 ，刘杰 ，黎羴 ，等．农田环境信息采集系统设计与实现［Ｊ］．自动化仪表，２０１４，３５（１１）４１－４７．［２］杜一腾 ，迟宗涛．基于 Ａｒｄｕｉｎｏ与 ｙｅｅｌｉｎｋ平台的实时环境监测系统 ［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用 ，２０１４（１０）２６－２８．［３］朱若茜 ，张礼勇．无线传感器网络监测环境中的煤矿安全度评价 ［Ｊ］．哈尔滨理工大学学报 ，２０１３，１８（３）３２－３５．［４］岳敬华 ，张珣．智能社区云服务平台及服务模式研究［Ｊ］．物联网技术 ，２０１３（９）８３－８６．［５］张尼 ，姚海鹏．物联网嵌入式智能卡远程管理技术［Ｊ］．电信工程技术与标 ，２０１２（６）１７－２０．杨鹏 ，主要研究方向为嵌入式系统应用 ；包本刚 （副教授 ），主要研究方向为集成电子电路设计和集成电路测试 。（责任编辑 薛士然收稿日期 ２０１９－０４－０９）８５ ［８］卢先领 ，夏文瑞．基于最大似然估计的加权质心定位算法 ［Ｊ］．信息与控制 ，２０１６，４５（５）５８２－５８７．［９］刘魏．基于 ｍｊｐｇ＿ｓｔｒｅａｍｅｒ视频监控的运动目标检测系统研究 ［Ｄ］．衡阳 南华大学 ，２０１６２７－３４．［１０］王宣达 ，李临生．嵌入式 Ｌｉｎｕｘ下多线程视频监控的设计和实现 ［Ｊ］．信息通信 ，２０１１（６）１９１－１９２．［１１］刘大红．基于 ＲＴＳＰ流媒体服务器的设计与实现［Ｄ］．西安西安电子科技大学 ，２０１３１５－５０．［１２］刘志军 ，王建．基于 ＲＴＳＰ的嵌入式视频监控系统设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用 ，２０１４（１０）５８－７１．［１３］周宁兆 ，宋彬 ，常义林．基于 Ｈ．２６４／ＡＶＣ的视频通信抗分组丢失方法研究 ［Ｊ］．计算机学报 ，２００６，２９（２）２６７－２７２．［１４］符晓勇．智能小车软件系统设计与路径规划方法研究［Ｄ］．杭州 浙江理工大学 ，２０１６２６－３７．［１５］廖兴宇 ，汪伦杰．基于 ＵＷＢ＿ＡＯＡ＿ＴＤＯＡ的 ＷＳＮ节点三维定位算法研究 ［Ｊ］．计算机技术与发展 ，２０１４，２４（１１）６１－６４．［１６］丁锐 ，钱志鸿 ，王雪．基于 ＴＯＡ和 ＤＯＡ联合估计的 ＵＷＢ定位方法 ［Ｊ］．电子与信息学报 ，２０１０，３２（２）３１３－３１７．［１７］谢芝玉 ，刘雄飞 ，胡志坤．基于 Ｔａｙｌｏｒ展开的 ＵＷＢ井下定位算法研究与实现 ［Ｊ］．计算机工程与应用 ，２０１７，５３（２）２３１－２３５．张龙杰 （讲师 ），主要研究方向为军用物联网技术 、武器控制技术 ；张晓瑜 （工程师 ），主要研究方向为军用仿真技术 ；胡慧 （工程师 ），主要研究方向为网络与信息通信系统 ；张龙云 （高级工程师 ），主要研究方向为计算机模拟技术 。（责任编辑 薛士然收稿日期 ２０１９－０４－１１）