一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚控制系統*

*本項目在2021年中國研究生電子設計競賽獲省級一等獎，受中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費項目支持（QTZX22093、RW200144）

與世界上農業(yè)發(fā)達的國家相比，中國的農業(yè)科技水平較低，導致在農業(yè)人口比例極大的情況下，農業(yè)產(chǎn)值不高。作為一個(gè)以農業(yè)發(fā)展為主的國家，傳統農業(yè)主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡(jiǎn)單的機械設備，農民基本憑經(jīng)驗種植，導致用于農業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源、農藥、化肥等都在飛速增長(cháng)，但農業(yè)產(chǎn)量依然較低。本系統將物聯(lián)網(wǎng)和農業(yè)相結合，針對溫室大棚作物的生長(cháng)過(guò)程，實(shí)現各類(lèi)環(huán)境參數的實(shí)時(shí)監測和相關(guān)生產(chǎn)流程的智能控制，進(jìn)而實(shí)現農產(chǎn)品的增收。

1 系統設計

1.1 系統組成部分

本系統整體可分為4 部分：①是以STM32L010 芯片為核心的主控系統；②包括溫濕度傳感器HDC1080、光照傳感器OPT3001、監控攝像頭等監測設備和繼電器、電磁閥等控制設備；③是基于物聯(lián)網(wǎng)的數據傳輸系統。④是數據分析系統，包括手機APP、大屏終端和服務(wù)器。整體系統框架如圖1 所示。

圖1 系統框架圖

1.2 系統工作過(guò)程

采集節點(diǎn)每 5 min 喚醒 1 次，讀取傳感器數據。若數據正常則將數據存儲在 flash 中，讓節點(diǎn)掉電，進(jìn)入低功耗模式并等待定時(shí)喚醒；若數據超過(guò)報警上下限則將 flash 中數據通過(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)議廣播數據，用戶(hù)在手機 APP 或者大屏終端上獲取大棚環(huán)境參數，數據異常時(shí)會(huì )自動(dòng)下發(fā)控制命令?？刂乒濣c(diǎn)收到后控制水閥和風(fēng)機的運作，實(shí)現大棚環(huán)境參數的調整，提高農作物產(chǎn)量。

2 系統功能實(shí)現

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節點(diǎn)

MCU 采用 STM32L010K8T6，待機模式下電流 0.23 uA, 內部集成模數轉換器（ADC）、通用定時(shí)器（GPTIM）等外設。

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 采集的傳感器數據正常，則寫(xiě)入 flash 并發(fā)送高電平控制模擬開(kāi)關(guān)關(guān)斷電源。若 MCU 采集的傳感器數據異常，則將數據上傳到云端服務(wù)器，當收到掉電命令后，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字溫濕度傳感器 HDC1080，該傳感器通過(guò) I²C 總線(xiàn)與 MCU 進(jìn)行數據傳輸，能以超低功耗提供出色的測量精度。依照芯片對應的通信時(shí)序圖，編寫(xiě)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)串口傳輸數據。由于 M5311 串口的高電平為 1.8 V，MCU 串口的高電平為 3.3 V，設計了電平轉換電路。M5311 通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)登錄 OneNet 云平臺后，會(huì )將 MCU 的數據通過(guò) MQTT 協(xié)議透傳到云平臺上。

2.1.4 控制節點(diǎn)

通過(guò) 220 V 市電轉換為 5 V，然后穩壓到 3.3 V 給 節點(diǎn)供電?？刂乒濣c(diǎn)上電初始化后連接 OneNet 云平臺，每 10 s 上報一條報文作為心跳幀，保持與云平臺的連接。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)機的運轉，調整大棚的環(huán)境參數。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機APP

手機 APP 通過(guò) Android Studio 平臺使用 JAVA 語(yǔ)言進(jìn)行編程，APP 采用兩級大棚分區策略，操作管理更加方便。主界面是整個(gè)棚區的衛星地圖，進(jìn)入每個(gè)大棚后，顯示了環(huán)境參數的實(shí)時(shí)數據和歷史數據曲線(xiàn)。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(cháng)狀況，如圖 3 所示。

圖3 手機APP界面

2.2.2 大屏終端

大屏終端界面包括實(shí)時(shí)數據顯示、歷史曲線(xiàn)變化、報警信息、在線(xiàn)設備統計和控制狀態(tài)顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數據超過(guò)報警上下限，則在報警信息處顯示節點(diǎn)號、時(shí)間和異常值，便于用戶(hù)及時(shí)了解并做出響應。

圖4 大屏終端界面

2.2.3 MCU程序

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

圖5 MCU工作流程

2.2.4 遠程升級

工業(yè) 4.0 時(shí)代，隨著(zhù)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。嵌入式設備高度集成，功率較小，功能可裁剪，通信功能強大，便于與其它設備結合，因此在新型農業(yè)設備上應用極廣。傳統使用燒錄器對嵌入式設備進(jìn)行現場(chǎng)下載 程序的方式已遠不能滿(mǎn)足軟件升級對高頻次，便攜性，穩定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點(diǎn)放到終端設備本身，這給嵌入式設備本身增加了不穩定性，使其更繁冗，同時(shí)增加了生產(chǎn)成本。

采集節點(diǎn)在實(shí)際使用時(shí)，一般安裝在較為偏遠的溫室大棚中?？紤]到現場(chǎng)升級不太方便，本項目實(shí)現了采集節點(diǎn)的 IAP 遠程升級功能，利用 NB 網(wǎng)絡(luò )傳輸升級文件，大大降低了設備的維護難度，提升了便利性，如圖 6 所示。

圖6 遠程升級框架

本文在 python 端實(shí)現了遠程升級的自動(dòng)化。遠程升級開(kāi)始后，由 python 端自動(dòng)下發(fā)升級報文，農業(yè)采集節點(diǎn)校驗成功后，寫(xiě)入 flash，并上報下一條升級包的序號，python 端自動(dòng)下發(fā)下一條升級報文。待所有升級報文下發(fā)完成后，農業(yè)采集節點(diǎn)跳轉到新的程序開(kāi)始 行。流程圖如圖 7 所示。

圖7 遠程升級流程圖

3 結束語(yǔ)

本文設計并實(shí)現了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗智慧大棚控制系統，硬件和軟件經(jīng)測試均可正常運行，配合 3 000 mAh 可充電鋰電池能使用 90 d。本系統能檢測農業(yè)大棚環(huán)境并自動(dòng)做出調節，使作物一直處于合適的生長(cháng)環(huán)境，增加作物的產(chǎn)量。

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(注：本文源自《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期)