基于IoT的智慧大棚系统的开发
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作者:包子建
摘要：本文设计了一种通用的温室智能控制系统，可以实时监测和控制温室的环境参数，实现对空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、烟雾和火焰等的精确控制。通过WiFi和蓝牙无线控制实现安全防盗功能。该系统包括四个子系统：温度控制系统、智能报警系统、数据采集系统和数据传输与处理系统。
关键词：物联网;智慧大棚;监控系统
随着农村人口的不断减少，耕地不足的问题尤为突出。一个新的、现代的智慧温室的出现是非常必要的。近年来，随着信息智能化和农业现代化的快速发展，我国温室种植取得了长足的进步，形成了科学管控温室环境的理念。但是，由于工厂化管理的缺失，温室智能控制技术在设施和工业自动化方面还存在不足，与欧洲发达国家相差甚远。因此，设计一套自动温室控制系统，能够实时监测和控制温室环境参数，大大提高作物产量就显得尤为重要，从而达到操作简单、维护方便、通用的效果。
1系统设计
在自然环境中，植物的生长状态不易控制，容易受到自然灾害的影响，损害植物健康，减少农民收入。该系统基于自然环境，采用耐腐蚀、耐老化、可转换太阳光谱的塑料薄膜，结合物联网技术，采用计算机控制系统、高效传输系统和现代生物技术打造简单、高度自动化、智能化的温室智能控制系统。该系统可以避免植物在自然环境中可能遇到的灾害，如蝗灾、冰雹、霜冻等，检测和控制温度、湿度、光照强度、CO2浓度、O2浓度、土壤湿度等环境因素等，让植物的生长状态可以预测和控制植物的生长过程，解决了以往温室智能控制系统需要人工控制和检测的问题，可以独立检测问题，反馈错误，在某种程度上自动处理问题。
目前国内的温室大棚在控制和管理方面，国内温室自动化程度较低。近年来，国内也开展了一些温室自动控制的研究，但这些研究基本上都是单因素检测与控制，缺乏全面系统的研究。我们的改进方案是根据相关环境因素数据，结合作物生长发育规律，同时采用蓝牙和WiFi两种传输方式，将当前数据反馈给MCU，实现对温室的控制。同时，我们设置了自动报警装置，更新了灌溉系统和喷药系统，进一步实现了温室智能控制系统的自动化、智能化。
传统大棚无论任何控制都需要人工操作，耗费大量人力物力。现在大棚的数量越来越多，所以传统的大棚系统已经显示出很大的局限性。与上述相比，该系统充分利用了STC12C5A60S2单片机的软硬件资源，增加了各种测试电路，实现了真正的智能化。通用物网大棚系统主要由传感器终端、无线传感器网络、通信终端、控制终端、监控中心和应用软件平台组成，在手机上控制大棚的功能。但是，通用物联网大棚的价格太贵了，对于农村的普通家庭来说难以承受。同时，通用物联网大棚只适合种植几种生长条件相似的作物。与此相比，我们的系统更便宜，是适用于所有作物的通用智能控制温室系统。该系统投资少，可实现效益最大化。
本智能大棚系统主要包括三部分：主控端――STC12C5A60S2、环境监测部分――各种传感器和环境调节部分――温控箱。该系统可以通过WiFi和蓝牙无线控制，准确实现空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、烟雾和火焰以及安全防盗等功能。环境中的温度检测通过温度传感器DS18B20传输到单片机。当温度低于设定温度时，通过驱动电路升高温度，驱动继电器控制加热电路;当温度高于设定温度时，驱动风扇进行换气，从而降低温度。环境中的光强由光强传感器BH1750fvi实时监测，当光强超过预设值时，步进电机转动，带动遮光条减弱光强。空气中的湿度由DHT11检测，并由相应的模块进行调节。土壤水分传感器检测土壤中的水分含量，并驱动相应的电路控制水分含量。防盗系统可在有人非法进入禁区时发出警报，同时火焰传感器检测周围环境是否有火灾、烟雾等安全隐患。智能棚系统由传感器、单片机、显示器、键盘和控制器组成。在A/D转换模块中，主要使用集成MCU之外的A/D技术。
目前，国内外温室控制系统的研发大致可分为三类：分体式多单元温室系统、单片机控制温室单元系统、分布式单元系统。这次我们使用单片机来控制温室单元系统，该控制系统是随着单片机的发展而出现的。该技术在国内外得到广泛应用。它充分利用了单片机的优点，如数据传输方便、速度快、接口通道配置灵活、性能稳定可靠、价格低廉等，给农业科技带来了很多便利。同时，在具体的数据保存上，可以保存大量的数据，有利于分析，方便维护和使用，是现代温室监控系统的标准模型。
在实际应用中，本着操作说明简单、质优价廉、抗干扰、环境适应性强的原则，采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机。此单片机是鸿晶科技生产的单时钟/机器周期（1t）单片机，是新一代高速、低功耗、抗干扰能力强的8051单片机。它的指令码与传统8051完全兼容，但速度提高了8～12倍。同时其内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/s）。单片机实物如图1所示：
本设计使用的开发环境是IARfor8051V8.10，用于编写程序。SmartRFFlashProgram是用户的SmartRFFlash编程手册。闪存编程器可以用来编程闪存。对于IEEE802.15.4兼容设备（如CC2530）和蓝牙（R）低功耗设备（如CC2540），Flash编程器支持读写IEEEMAC地址。包嗅探器是一种软件工具，它帮助维护、故障检测和微调局域网和广域网。该工具观察网段的流量，学习掌握网络配置，解码协议，提交统计数据，自动识别许多常见的网络问题，并能生成管理报告。
本系统方案的设计思想是以CC2530协调器为核心控制器，接收多个节点采集的传感器数据，协调器对数据进行处理，控制电机执行相应动作，数据通过串口传输到PC机进行显示。
2系统实现
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