一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚控制系統(tǒng)*

*本項目在2021年中國研究生電子設(shè)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(nóng)業(yè)發(fā)達的國家相比，中國的農(nóng)業(yè)科技水平較低，導(dǎo)致在農(nóng)業(yè)人口比例極大的情況下，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值不高。作為一個以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的國家，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡單的機械設(shè)備，農(nóng)民基本憑經(jīng)驗種植，導(dǎo)致用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源、農(nóng)藥、化肥等都在飛速增長，但農(nóng)業(yè)產(chǎn)量依然較低。本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，針對溫室大棚作物的生長過程，實現(xiàn)各類環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測和相關(guān)生產(chǎn)流程的智能控制，進而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的增收。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成部分

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

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 系統(tǒng)工作過程

采集節(jié)點每 5 min 喚醒 1 次，讀取傳感器數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)正常則將數(shù)據(jù)存儲在 flash 中，讓節(jié)點掉電，進入低功耗模式并等待定時喚醒；若數(shù)據(jù)超過報警上下限則將 flash 中數(shù)據(jù)通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器。服務(wù)器通過 MQTT 協(xié)議廣播數(shù)據(jù)，用戶在手機 APP 或者大屏終端上獲取大棚環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)異常時會自動下發(fā)控制命令?？刂乒?jié)點收到后控制水閥和風(fēng)機的運作，實現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的調(diào)整，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節(jié)點

MCU 采用 STM32L010K8T6，待機模式下電流 0.23 uA, 內(nèi)部集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、通用定時器（GPTIM）等外設(shè)。

定時器模塊采用時基芯片 TPL5110DDC+ 模擬開關(guān) TS5A3160DBV。通過外圍電阻選擇定時時間為 5 min，若 MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)正常，則寫入 flash 并發(fā)送高電平控制模擬開關(guān)關(guān)斷電源。若 MCU 采集的傳感器數(shù)據(jù)異常，則將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，當收到掉電命令后，再控制模擬開關(guān)關(guān)斷電源。

2.1.2 溫濕度傳感器

本文采用低功耗的數(shù)字溫濕度傳感器 HDC1080，該傳感器通過 I²C 總線與 MCU 進行數(shù)據(jù)傳輸，能以超低功耗提供出色的測量精度。依照芯片對應(yīng)的通信時序圖，編寫了基于 I²C 通信協(xié)議的使用程序。

圖2 I²C通信時序圖

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 之間通過串口傳輸數(shù)據(jù)。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(shè)計了電平轉(zhuǎn)換電路。M5311 通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)登錄 OneNet 云平臺后，會將 MCU 的數(shù)據(jù)通過 MQTT 協(xié)議透傳到云平臺上。

2.1.4 控制節(jié)點

通過 220 V 市電轉(zhuǎn)換為 5 V，然后穩(wěn)壓到 3.3 V 給 節(jié)點供電?？刂乒?jié)點上電初始化后連接 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，則通過繼電器和電磁閥控制水閥和風(fēng)機的運轉(zhuǎn)，調(diào)整大棚的環(huán)境參數(shù)。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機APP

手機 APP 通過 Android Studio 平臺使用 JAVA 語言進行編程，APP 采用兩級大棚分區(qū)策略，操作管理更加方便。主界面是整個棚區(qū)的衛(wèi)星地圖，進入每個大棚后，顯示了環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)曲線。此外，還添加控制命令和攝像頭功能，可以實時看到作物的生長狀況，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時數(shù)據(jù)顯示、歷史曲線變化、報警信息、在線設(shè)備統(tǒng)計和控制狀態(tài)顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數(shù)據(jù)超過報警上下限，則在報警信息處顯示節(jié)點號、時間和異常值，便于用戶及時了解并做出響應(yīng)。

圖4 大屏終端界面

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通過 Keil 平臺使用 C 語言進行編程，主要包括系統(tǒng)初始化、采集傳感器數(shù)據(jù)、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 時代，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，信息技術(shù)是促進產(chǎn)業(yè)變革的重要因素。嵌入式設(shè)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(shè)備結(jié)合，因此在新型農(nóng)業(yè)設(shè)備上應(yīng)用極廣。傳統(tǒng)使用燒錄器對嵌入式設(shè)備進行現(xiàn)場下載 程序的方式已遠不能滿足軟件升級對高頻次，便攜性，穩(wěn)定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點放到終端設(shè)備本身，這給嵌入式設(shè)備本身增加了不穩(wěn)定性，使其更繁冗，同時增加了生產(chǎn)成本。

采集節(jié)點在實際使用時，一般安裝在較為偏遠的溫室大棚中。考慮到現(xiàn)場升級不太方便，本項目實現(xiàn)了采集節(jié)點的 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(shè)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 端實現(xiàn)了遠程升級的自動化。遠程升級開始后，由 python 端自動下發(fā)升級報文，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點校驗成功后，寫入 flash，并上報下一條升級包的序號，python 端自動下發(fā)下一條升級報文。待所有升級報文下發(fā)完成后，農(nóng)業(yè)采集節(jié)點跳轉(zhuǎn)到新的程序開始 行。流程圖如圖 7 所示。

圖7 遠程升級流程圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的低功耗智慧大棚控制系統(tǒng)，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(tǒng)能檢測農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境并自動做出調(diào)節(jié)，使作物一直處于合適的生長環(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)