摘要:

针对温室中农作物的质量和产量受光照强度、温湿度和二氧化碳(CO2)浓度的影响问题，提出了一种基于WiFi的温室环境检测与控制系统。该系统包括数据采集、数据传送和数据处理三个部分，使用STM32F103作为主控制器将传感器检测的温室光照强度、温湿度和CO2浓度等信息，经由WiFi模块传送给PC机，管理者既可以远程查看温室作物的生长情况和环境信息，也可发送指令控制卷帘机、补光灯、遮阳板、洒水器和排风系统远程调节温室的环境。实验结果表明，该系统运行稳定、操作方便，能实时检测和调节温室环境。

关键词:

WiFi;温室;智能控制;传感器

0引言

随着现代科学技术的快速发展，农业生产方式也发生了较大的变化［1］。农业生产正逐步进入依靠科技提高农产品的质量和产量、提高农业的整体效益和增加农民的收入的新时期。温室技术的发展是实现这一转变的重要途径，温室蔬菜生产需要更少的劳动力、更少的成本、不易受气候的影响、比传统的蔬菜生产方式具有更快的回报［2－5］。因此，温室蔬菜被农民追捧。然而，没有远程环境监测系统，难以有效地控制分散的温室［6］。近年来，出现了基于以太网的远程监控系统，这种监控系统有诸多缺点，例如安装复杂、设备成本高、接入速度慢、覆盖范围小等［7－10］。为了控制成本、增加农民收入、配合我国三农规划［11－13］，本文设计了一种基于WiFi的温室环境检测与控制系统。

1系统总体设计

本文提出的基于WiFi的温室环境检测与控制系统总体设计框图，如图1所示。该系统包括数据采集、数据传送和数据处理三个部分，使用STM32F103作为主控制器将传感器检测的温室光照强度、温湿度和二氧化碳浓度等信息，经由WiFi模块将采集到的温室环境数据通过网络发送给远程PC机，PC机对获取到的信息进行存储和分析，管理者既可远程查看温室作物的生长情况和环境信息，也可以发送指令控制天窗、洒水器、降温除湿器、升温加湿器和CO2发生器等，从而实现远程调节温室环境的目的。本系统还可以同时检测和控制多个温室的环境。从图1可看出，各个大棚每隔一定的时间将检测到的温室环境数据发送给PC机，PC机再对数据进行存储、显示与处理。

2硬件系统设计

为了达到远程调节温室内作物生长的目的，本文设计了基于WiFi的远程控制系统。硬件部分主要实现数据采集、数据传送和根据指令控制相应设备启停的功能。硬件系统总体设计框图，如图2所示。其中，WiFi模块起到了数据传递的功能，是最主要的部分。WiFi具有传输距离远、覆盖范围广和传输速率高的特点，在每一个大棚内只需提供一个WiFi热点便可连接所有传感器。而上位机只需要汇总传输过来的数据，然后判断其是否超过了所设的阈值，并作出相应的处理，实现对温室内环境的远程控制。同时，上位机还配有一个数据库，可随时查询不同时刻的检测数据。温度检测模块使用AD590［14］温度传感器，其将温度转换为电流，温度每增加1°，其的输出电流也会增加1μA。AD590温度传感器可检测的温度范围为－55℃～150℃。温室内湿度过高会影响作物的茎叶生长，以及开花结果。本系统采用MP－508B［15］湿度传感器检测温室内的湿度，传感器工作电压为7～15V，可测量0%～100%的湿度范围。并通过在高温天气加湿和低温、阴雨天的除湿来调节温室内的湿度。农作物的生长情况与光照有着密切的关系，农作物白天通过吸收CO2进行光合作用排除氧气，而在晚上吸收氧气排除CO2，在阴天光照较弱需要补充光照。本文使用光敏电阻检测温室内的光照强度，光敏电阻的阻值根据光照强度的变化而变化。有光时，阻值小;无光时，阻值大。将检测的电流值转化为数字信号传给STM32。CO2是影响农作物光合作用的重要因子，充足的CO2能促进作物生长发育，抑制病虫害。本文使用TGS4160［16］传感器检测CO2的浓度，并将检测到的浓度信号经A/D转换器转化为数字信号传给STM32处理。TGS4160检测到CO2时便会发生如下电化学反应:Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2通过检测正负极间的电势差就可计算出CO2的浓度。本文执行机构通过STM32控制继电器来控制风扇、喷淋管、加热器和CO2容器电磁阀等。将STM32相应管脚作为光电耦合器的输入端，当光电耦合器电压超过3V时，就会执行对风扇、喷淋管、加热器和CO2容器电磁阀的控制。当检测到的环境数据在阈值范围内时，STM32输出高电平，相关设备就会停止运行。

3软件系统设计

系统的软件设计包括检测模块的数据采集，WiFi模块的数据传送和主控制模块的指令发送。当出现报警信息时，系统将向用户发送报警信息，若报警信息没有被解除，系统将向以一定的频率持续发送。软件系统主程序流程，如图3所示。系统数据采集的流程，如图4所示。在读取多个传感器的数据时，按照温度、湿度、光照和CO2浓度的次序逐一进行扫描直至获取到所有信息。其中，数据存储模块可存储用户的历史记录和检测模块的历史数据。

4系统测试

本文按照系统的组成分别进行软硬件开发和组装调试，并安装到实际的温室大棚内测试与应用。测试结果表明，该系统运行稳定、操作方便，能实时检测和调节温室环境。同时，为了验证系统运行的稳定性和实时性，开发PC机软件接收WiFi发送的信息，并根据环境情况调节温室环境。图5是上位机软件运行的实际效果图，从图中可以看出，此时检测到温室大棚1和2的环境信息分别为:温度为30.9℃和31.2℃，湿度为61.2%和55.85，CO2浓度为869ppm和756ppm。该系统也能调用数据库存储的信息，查看一段时间温室内的温度、湿度、光照强度和CO2浓度的实时变化曲线，如图6所示。从图中可以看出，1号大棚的温度、湿度和CO2浓度的变化情况，方便用户掌握温室环境的变化情况，并作出相应的决策。

5结束语

本文设计的温室环境检测与控制系统使用WiFi作为数据的传输通道，用户可远程查看和调节温室内农作物的生长状况。该系统使用STM32作为主控制器将传感器检测的温室光照强度、温湿度和二氧化碳浓度等信息，经由WiFi模块将采集到的温室环境数据发送给远程PC机，PC机对获取到的信息进行存储和分析。而管理者既可远程查看温室作物的生长情况和环境信息，也可以发送指令控制天窗、洒水器、降温除湿器、升温加湿器和CO2发生器等远程调节温室的环境。经过软硬件测试表明，本系统测量精度高、结构简单且能实现温室环境的远程监控。

参考文献

［1］贾薇，徐晓辉，宋涛，等．基于WiFi的智能温室移动控制终端系统设计［J］．中国农机化学报，2015，36(5):87－89．

［2］宋林桂，陈清．基于WIFI技术的农业大棚环境实时监测系统的设计［J］．软件工程师，2014，(12):52－53．

［3］云中华，李勇峰，刘洪春，等．基于STM32微控制器的家居环境监测系统设计与研究［J］．自动化与仪器仪表，2015，(10):227－229．

［4］朱高中．基于DSP蔬菜大棚环境远程监测系统的研究［J］．计算机技术与发展，2016，26(8):187－190．

［5］樊健．基于物联网平台的温室大棚监测和控制系统设计［D］．合肥:安徽大学，2016．

［6］李晓雪．基于遥感技术的环境监测应用分析［J］．自动化与仪器仪表，2015，(4):112－113．

［7］张伟滨．基于Zigbee温室大棚远程监控系统研究与实现［D］．大庆:东北石油大学，2014．

［8］邵鹏飞，曹江涛．双协议融合的WSNs温室环境监控系统设计［J］．传感器与微系统，2016，35(6):78－81．

［9］常书林，卢峰，仇成群．基于ZigBee的汽车内环境监测系统设计［J］．电子科技，2016，29(4):66－70．

［10］郭鹏，马建辉．农业温室大棚智能环境监测系统设计［J］．中国农机化学报，2016，37(4):71－73．

［11］乔玉蓉，张星，程建云．基于ZigBee的小型温室环境信息控制系统［J］．电子科技，2016，29(2):99－101．

［12］李亚迪，苗腾，朱超，等．北方日光温室智能监控系统的设计与实现［J］．中国农业科技导报，2016，18(5):94－101．

［13］孙茂泽，张爱丽，王来刚，等．基于ZigBee和GPRS的温室群监测系统设计［J］．软件导刊，2016，15(5):126－129．

［14］李天华，仲崇哲，魏珉，等．温室蔬菜溯源数据采集系统的设计与实现［J］．山东农业科学，2016，48(7):142－145．

［15］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:太原理工大学，2016．

［16］张铁山，任众．基于AT89C51的温室大棚环境参数自动控制系统的设计［J］．机械工程师，2016，(4):34－36．

作者:罗瑞雪 单位:东北农业大学资源与环境学院