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IoT平台基础上智能温室大棚测控系统实现

2020-11-18 582 上传者：管理员

摘要：随着农业设施的发展，温室大棚在农业生产中的地位越来越重要。温室大棚的运用有效降低了外界环境对农植物生长带来的恶劣环境，是提高农植物的生长周期与产量的有效途径之一。在农植物种植过程中，大棚环境的控制对于种植的农植物的生长状况至关重要，文章设计的温室大棚温湿度自动控制系统使用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，通过ESP8266和TCP协议实现单片机与移动设备的通信。用户可以通过系统自带的LCD1602液晶显示屏或移动设备查看实时环境参数。系统支持手动按键设置自动控制范围和通过移动设备登录物联网平台的网页、APP或者微信公众号查看环境参数远程调控环境两种方式去使温室环境恒定。

关键词：
ESP8266
LCD1602
STC12C5A60S2
TCP协议
物联网
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我国作为人口大国，对于粮食的需求量十分大，不断增长的人口、有限的土地资源，使得农业在我国是重要的支柱型产业，对我国的经济发展有着决定性的影响[1]。21世纪以来随着我国农业的发展，国家对于农业生产技术的大力投入推广，大棚技术不断在农业生产中普及，农户对温室大棚的使用不断增加，从而导致温室大棚在我国现代农业成产中的比重日益增长。温室大棚对于蔬菜、花卉为主的植物栽培有着重要的作用，其产业被看作21世纪活力的新型产业之一。

对于传统农业而言，农植物的成长严重依赖于自然天气，而我国大部分地区的气候对于农植物的生长有着很大的约束，严重限制了农植物的产量和生长周期。温室大棚可以为农植物提供适宜的生长环境[2]，避免外界自然环境变化和自然灾害来临导致的对农植物生长的不良影响，减小农植物对于外界环境的依赖，并且利用冬季自然光能生产优质反季节产品，增长农植物的生长周期。温室是农植物在栽培中最重要的环境条件，而温室的重要参数空气中的温度和湿度、光照强度等[3]，不同种类的植物物种对于温度和湿度的要求不相同，为了最终成长而成的蔬菜或花卉等农植物品相好，使得农植物商品不受外界条件的限制，满足现在居民生活水平，促使农户的利益最大化，保证适宜的、良好的生长环境至关重要。

温室大棚的用户对象是农户，开发低成本的温室大棚温湿度控制系统至关重要。现如今物联网是现代信息技术发展到当今阶段的必然产物，智能农业成为发展趋势，社会经济发展到现阶段的新要求[4,5]，将现代化计算机技术、物联网技术结合单片机技术用于控制温室环境，可以远程加自动控制大棚内的温湿度等因素，减少人工成本，把农户从大棚农作中解放出来，随时随地监控室内温湿度，及时调控室内温湿度等重要环境参数，保证农植物始终处于最佳生长状态，将控制失误成本降低。

1、系统设计方案

1.1 系统硬件总体设计

基于物联网平台的大棚温湿度自动控制系统以STC12C5A60S2单片机为控制芯片，5V电压供电，通过相应的传感器实时检测大棚内环境参数数据并将数据通过A/D电路进行采样、量化、编码后实时显示出来并通过WiFi上传到物联网平台。系统如图1所示主要分为检测模块、显示模块、通信模块和控制模块。检测模块分为按键检测单元和大棚环境参数检测单元，大棚环境参数检测单元由温湿度检测、光照强度检测和土壤湿度检测构成，用于检测大棚内环境实时参数。显示模块主要实现LCD1602液晶屏和云平台实时显示系统检测的环境参数。WiFi模块由ESP8266芯片实现WiFi功能，该模块通过TCP通信协议让单片机与物联网平台实现双向通信。控制模块由加温控制、水泵控制和风扇控制构成，通过该模块实现对大棚内环境参数的自动控制和云控制。

图1本文系统硬件总设计

1.2 系统软件总体设计

系统软件的实现主要是使用keil软件编程系统代码以及用tlink网站搭建物联网平台。keil程序代码如图2所示主要分成延迟处理、A/D转换、串口通信、按键设置、传感器设置、LCD1602设置和WiFi设置，将部分参数设置与tlink相关联，通过各函数的相互作用实现系统的功能。

图2本文系统软件总设计

2、系统设计原理及运用

2.1 STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2单片机是新一代8051系列双串口的单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、强抗干扰能力等特点。它是STC89C52的升级版芯片，传统的8051指令代码可以完全兼容于该单片机。该芯片的工作电压在3.3V-5.5V，工作频率范围在0-35MHz，该芯片用户最高可以应用的程序空间为62K字节。芯片的IO端口共有40个，IO端口有四种工作模式，分别为弱上拉、强上拉、输入/高阻和开漏，该芯片自带A/D转换电路，不用在外加AD转换电路，它含有两个全双工串行通信接口，串口通信功能比较强大。与STC89C52单片机相比，STC12C5A60S2单片机的读取处理速度更快，是STC89C52单片机的8-12倍。其自带A/D转换电路和PWM，比STC89C52单片机多了两个定时器和一个串口，增加了PCA定时器，且内部有EEPROM（带电可擦可编程只读存储器），掉电后数据不会丢失。

2.2 土壤湿度数据处理

本文设计的系统采用的是运用电容感应原理工作的土壤传感器，它避免了传统土壤湿度传感器易被腐蚀的缺点。在使用该传感器前要进行一个干湿度校准操作，该操作主要通过分别读取传感器在空气中和水中的数值来限定土壤湿度检测的测量范围，在矫正代码烧录到板子中后，将传感器放置在空气中读取模拟值X1，代表干燥的时候的读数，百分比设定为0%。接着将传感器插入水中读取模拟值X2，代表潮湿环境下的值，百分比设定为100%。对获取的两个干湿度校准数据用线性直线y=kx+b拟合，其中y表示土壤湿度百分比，x表示实时土壤湿度的值，斜率k=(X2-X1）×100，截距b=X1×100。

采用的土壤传感器在空气中读取的模拟值X1=2.13，在水中读取的模拟值为X2=1.35，通过计算得到拟合的线性直线方程为y=213-78x。

程序设计中令土壤传感器通过AD模数转换获取的数字信号的值为tmp，由上文可知

本文系统的DA数模转换分辨率为：

供电电压为5V，则经过DAC后得到的模拟信号的值：

将该值放入拟合的线性直线方程中即可得到大棚内土地中的实时土壤湿度百分比。

2.3 WiFi设置

2.3.1 4G通信技术

4G通信技术即第四代移动信息系统，它是从3G通信技术的基础上发展而成，它结合了3G通信技术和WLAN技术两者的优点，并大幅度提升了通信速度、上网速度以及数据传输速度等。4G通信技术的高速让物联网变得可以实现，物联网开始兴起。

2.3.2 TCP协议

现在的Internet的主流协议族为TCP/IP协议族，这是一个分层、多协议的通信体系。TCP/IP协议族共分为四层，协议系统自上而下依次分别是应用层、传输层、网络层和数据链路层。每一层通过对应层的协议完成各自不同的功能和任务且封装后给上层协议提供服务。

TCP协议是该协议族中传输层的一个常用的协议，它比该层协议之一的UDP协议更加可靠，它主要通过超时便重传数据的方式确定接受端给应用层提供了端对端、可靠的基于流的协议服务，给通信双方提供一个稳定的连接道路。TCP协议将数据流分割成一段报文段，并给每个报文段确定序号确保数据发送正确。

2.3.3 TLINK物联网设置

TLINK物联网是一个面向物联网产品的开放平台，它提供网页端、APP和微信公众号三个平台供用户登录查看和控制单片机设备。

系统WiFi物联网页面设置通过网址https：//www.tlink.io/进入TLINK网页端，添加名字为大棚温湿度自动控制系统的设备，并将设备的链接协议设置为TCP协议，在该设备下添加四个数值型传感器和三个开关型传感器。其中四个数值型传感器分别命名为温度、湿度、光照强度和土壤湿度，用来显示大棚内系统硬件检测的大棚对应的实时环境参数，三个开关型传感器命名为风扇、加热和抽水，分别用来打开或关闭控制风扇、加热器和水泵开关的继电器。将传感器单位、精度等设置好后保存设备。接着给该设备设置协议标签，本文系统设置的协议标签数据头标签[H]和结束符标签[T]都为“#”，分隔符[S]为“-”。最终编辑的协议为[H:#][D?][S:-][D?][S:-][D?][S:-][D?][S:-][D?][S:-][D?][S:-][D?][T：#]。最后将设备的序列号复制到代码对应位置，完成物联网平台的设置。

图3

3、系统实验结果

将系统用USB连接电脑给系统提供电源，然后用适量的土壤裹着土壤干湿度传感器模仿土地环境，打开系统，通过手机微信端进入TLINK小程序对系统进行实验，实验结果如图3所示。数据显示系统运行正常。

4、结束语

系统设计是根据我国目前温室大棚的现状与需求给出的方案，可以用来针对目前运行的大型联动传统温室控制系统进行提升改造作参考，系统具有较高的性价比。系统采用的硬件材料可靠、便宜，系统整体成本低，也适合大多数独立种植的农户中推广。它结合了目前移动设备的普遍性和便利性，支持手动按键方式和远程控制方式两种方式。其中远程监控主要通过ESP8266和TCP协议实现将放置在大棚内的系统以4G网络与移动设备建立通信连接，让用户脱离大棚，远程对大棚参数进行监控，减少人工的负担，对提过生产效率具有较好的实际意义。

参考文献：

[1]孙庆波,鲍忠宇.基于单片机的温室大棚湿度监测和控制系统设计[J].中外企业家,2018(33):137.

[2]薄英男.温室大棚环境监测系统的设计与实验[D].新疆农业大学,2017:1-2.

[3]雷长根,李昆仑,付若松.智能温室大棚节水灌溉系统的设计[J].电子制作,2020,26(Z1):24-25.

[4]韩毅.基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究[D].太原理工大学,2016:2-3.

[5]刘锦.温室大棚智能监测系统[J].南方农机,2020,51(06):28-29.

何文静,肖紫芸,肖玲玲.基于IoT平台的智能温室大棚测控系统实现[J].科技创新与应用,2020(34):39-41.