董宇軒 ， 崔嘯鳴

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 介紹

Arduino是近年來流行的開源硬件平臺(tái)。它可以接收和發(fā)送數(shù)字或模擬信號(hào)來控制外部設(shè)備。它還支持多種傳感器擴(kuò)展板，操作簡單，功能多樣?？捎糜谥悄苻r(nóng)業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)有利于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中智能化、信息化程度低的問題，對(duì)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)具有重要意義[1]。本項(xiàng)目旨在研究一種基于Arduino的智能農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)測與異常預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集和分析農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)部環(huán)境，并通過網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)通信，使用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部環(huán)境的檢測和異常情況的實(shí)時(shí)預(yù)警，解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化、信息化程度低的問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以LabVIEW為基礎(chǔ)編寫的軟件作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)識(shí)別和顯示Arduino Uno微處理器發(fā)送出來的溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度。Arduino Uno微處理器作為下位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)化模塊W5100接收上位機(jī)的指令，負(fù)責(zé)接收和判斷命令，收集和傳送接收的溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)化模塊W5100上傳到LabVIEW顯示軟件[2]。光照強(qiáng)度、溫度、土壤濕度、風(fēng)速等物理量均由各種傳感器檢測，并將檢測到的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。異常監(jiān)控畫面由攝像頭監(jiān)控感知上傳。

2.2 硬件配置

1）光學(xué)精密光敏發(fā)射機(jī)。光學(xué)精密光敏變送器，輸出值測量單位為勒克斯，設(shè)備采用壁掛式防水外殼，壁掛式安裝，防護(hù)等級(jí)高。485通訊，標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU通訊協(xié)議，可設(shè)置通訊地址和波特率，最遠(yuǎn)通訊距離為2000 m，產(chǎn)品電源為10 V～30 V寬電壓電源，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚、花卉栽培大棚、電子設(shè)備生產(chǎn)線等需要照度監(jiān)控的場合。該設(shè)備用于檢測溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度，多點(diǎn)安裝在溫室的適當(dāng)位置。

2）溫濕度傳感器。XW-TH-B/O溫濕度傳感器用于測量和顯示環(huán)境溫濕度。產(chǎn)品采用高性能進(jìn)口元器件，抗電磁干擾設(shè)計(jì)。XW-TH-B/O是為機(jī)架環(huán)境設(shè)計(jì)的。產(chǎn)品采用RS485通訊，雙RJ45端口設(shè)計(jì)，大大簡化了系統(tǒng)布線，可與各種監(jiān)控系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該設(shè)備用于檢測溫室內(nèi)的溫度和濕度。

3）攝像機(jī)監(jiān)控。攝像機(jī)監(jiān)控和紅外監(jiān)控，白天開啟普通攝像機(jī)監(jiān)控，檢測是否有降雨、冰雹等自然災(zāi)害和可見災(zāi)害，還可以監(jiān)控人畜等破壞性生物是否進(jìn)入溫室；晚上開啟紅外攝像機(jī)監(jiān)控，使用紅外攝像機(jī)由攝像機(jī)的功能特性產(chǎn)生的一種類型，其工作原理是通過紅外光燈發(fā)射紅外光照亮物體，然后紅外光將漫反射，最后返回?cái)z像機(jī)，由監(jiān)控?cái)z像機(jī)接收，并形成視頻圖像。在溫室的四個(gè)角落和入口處有五個(gè)裝置。

4）風(fēng)速計(jì)。測量空氣流量的儀器。它有很多種類型。氣象臺(tái)站中最常用的風(fēng)杯風(fēng)速儀是由三個(gè)拋物線錐和空杯相互成120°固定在支架上的感應(yīng)部分?？毡拥陌济娑汲粋€(gè)方向。整個(gè)傳感部分安裝在垂直旋轉(zhuǎn)軸上。在風(fēng)的作用下，風(fēng)杯以與風(fēng)速成比例的速度繞軸旋轉(zhuǎn)。該設(shè)備安裝在溫室入口處，用于及時(shí)檢測溫室內(nèi)的風(fēng)速。

5）Arduino平臺(tái)。接收上述傳感器和監(jiān)測結(jié)果，分析其與設(shè)定值之間的差距，顯示指標(biāo)為：正常/異常；自然災(zāi)害：是/否；人為干擾：是/否。遙控終端分為移動(dòng)應(yīng)用終端和計(jì)算機(jī)客戶端兩種，方便人們隨時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的情況。在界面上，根據(jù)Arduino發(fā)送的值，提供溫馨提示和待檢查區(qū)域。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

1）Arduino下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。Arduino下位機(jī)負(fù)責(zé)溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和傳輸，接收Kingsview的指令，控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開閉。數(shù)據(jù)采集部分通過程序讀取測得的空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度。由于測得的光照強(qiáng)度和土壤濕度都是模擬電壓值，需要通過轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M電壓值轉(zhuǎn)換成百分比形式，然后與空氣溫度和濕度進(jìn)行比較后一起輸出到串口。同時(shí)，需要對(duì)Kingsview發(fā)送到串口的字符進(jìn)行讀取和判斷，使相應(yīng)的中繼工作[3]。

2）基于組態(tài)王的上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)計(jì)。在Kingsview中定義外部設(shè)備，選擇相應(yīng)的COM端口，按照設(shè)備配置向?qū)У奶崾敬_定制造商、設(shè)備名稱和通信方式。在數(shù)據(jù)字典中定義變量主要涉及I/O字符串、內(nèi)存字符串、內(nèi)存整數(shù)和內(nèi)存實(shí)數(shù)。創(chuàng)建和設(shè)計(jì)屏幕，連接動(dòng)畫中的相關(guān)控件和變量，并建立人機(jī)交互界面。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)登錄

為了確保系統(tǒng)的安全指數(shù)，需要賬號(hào)密碼才能進(jìn)入次系統(tǒng)。系統(tǒng)后臺(tái)管理員是admin。一般用戶想登錄系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)管理員所在處進(jìn)行登錄，確認(rèn)自身權(quán)限，輸入自己的賬戶。賬號(hào)和密碼與系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)庫匹配。有以下兩種情況：賬戶本身存在，但密碼顯示不正確；賬戶本身不存在。如果用戶賬戶顯示正確，但密碼輸入不正確，則會(huì)提示用戶自身密碼錯(cuò)誤。如果賬戶不存在，則會(huì)出現(xiàn)賬戶“不存在”對(duì)話框。登錄界面分為四個(gè)模塊：核驗(yàn)?zāi)K、識(shí)別匹配模塊、錯(cuò)誤報(bào)告顯示模塊和權(quán)限控制模塊。用戶登錄時(shí)，需要匹配所有四個(gè)模塊才能成功登錄。

3.2 決策支持

決策支持包括風(fēng)扇決策、滴管決策和燈光補(bǔ)充決策。決策子系統(tǒng)的主要功能是提供支持。如果溫度較高，風(fēng)扇將被打開；如果溫度達(dá)到設(shè)定的范圍，風(fēng)扇將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉；滴管將會(huì)在早上8點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)開啟，在12點(diǎn)準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉；當(dāng)光的強(qiáng)度沒有達(dá)到一定的水平時(shí)，生物效應(yīng)燈便會(huì)打開，當(dāng)光照充足時(shí)，它將會(huì)自主關(guān)閉，決策支持的功能就是這樣完成的。其中滴管決策的開啟條件，若超過12分鐘，則不會(huì)再打開。為了能夠更智能準(zhǔn)確地運(yùn)行，在程序設(shè)計(jì)[4]過程中增加了一個(gè)核驗(yàn)功能。主要目的是開通決策服務(wù)，當(dāng)時(shí)間檢查開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，并自動(dòng)判斷滴管決策的開啟和關(guān)閉時(shí)間。為了使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，需要在每次倒計(jì)時(shí)后進(jìn)行新的判斷。

3.3 數(shù)據(jù)收集

成功進(jìn)入系統(tǒng)后，需要建立長期連接。采集子系統(tǒng)每1分鐘將此數(shù)據(jù)采集發(fā)送到指定端口。數(shù)據(jù)傳輸后，服務(wù)器自身需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取系統(tǒng)指令參數(shù)，并進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。通過連接的管理，搜索到手機(jī)終端，然后將識(shí)別分析的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端。當(dāng)手機(jī)接收到最終數(shù)據(jù)時(shí)，它自身便會(huì)向服務(wù)器所在系統(tǒng)發(fā)送請求，并通過自己的顯示圖形功能模塊顯示圖形。對(duì)于用戶自身來說，通過分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后調(diào)用相關(guān)的系統(tǒng)函數(shù)，最后使用插件使其在瀏覽器網(wǎng)頁上顯示圖表。

3.4 遠(yuǎn)程控制

手動(dòng)遙控和智能遙控是本系統(tǒng)的主要監(jiān)控方式。在手動(dòng)遙控中，需要徹底理解遙控箱的原理。在掌握了原理之后，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制就變得非常簡單了。遙控箱內(nèi)只需安裝一個(gè)GPRS/3G轉(zhuǎn)換模塊便能把信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后控制電源的開關(guān)，控制電能?？刂葡淇偣灿?個(gè)接口端。當(dāng)用戶按動(dòng)對(duì)應(yīng)的按鈕時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的命令[5]。當(dāng)模塊識(shí)別到命令時(shí)，判斷是否需要自身控制。其過程是：使用終端的設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送指令，服務(wù)器識(shí)別指令并搜尋對(duì)應(yīng)編號(hào)，掃描模塊狀態(tài)確定是否自身處在控制模式，控制模塊對(duì)指令進(jìn)行分析，然后激活對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，命令服務(wù)器執(zhí)行指令；設(shè)備已經(jīng)打開或已經(jīng)關(guān)閉。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

將本系統(tǒng)放在20 m×40 m的溫室大棚里面進(jìn)行全方位測試。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)測試過程中，中國移動(dòng)的SIM卡被插入GSM模塊。首先，通過碳纖維電熱絲模擬加熱裝置、水泵模擬澆水裝置、電機(jī)模擬通風(fēng)系統(tǒng)、卷簾模擬溫室被子等，檢測溫室內(nèi)的控制功能的智能化，即紅外感應(yīng)HC-SR501模塊，以及溫度、濕度和光線傳感器是否能夠正常識(shí)別外界環(huán)境。當(dāng)收到不同的數(shù)據(jù)值時(shí)，Arduino終端便會(huì)控制相應(yīng)的照明、加熱、散熱、噴水和通風(fēng)繼電器的開關(guān)。然后根據(jù)GSM短消息控制協(xié)議格式編輯短信，并發(fā)送給GSM模塊進(jìn)行核對(duì)，以便確定GSM模塊是否可以收到短消息。當(dāng)短消息的內(nèi)容與微控制器的內(nèi)部設(shè)置指令匹配時(shí)，將發(fā)出控制命令。系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)論

通過本項(xiàng)目的開發(fā)，可以采集溫室內(nèi)環(huán)境的土壤pH值、空氣二氧化碳濃度、水汽、光照強(qiáng)度、溫濕度等。多樣化的數(shù)據(jù)采集和分析可以直觀地顯示溫室的環(huán)境，農(nóng)民可以根據(jù)作物所需的環(huán)境進(jìn)行操作。利用遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)突破地域限制，打破傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測模式，讓農(nóng)民足不出戶就能對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)節(jié)。當(dāng)農(nóng)業(yè)大棚因自然原因（如大風(fēng)、暴雨等）或其他原因（人為故意破壞、動(dòng)物進(jìn)入等）出現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)收集異常數(shù)據(jù)可以讓農(nóng)戶更快地實(shí)施預(yù)防和保護(hù)，減少經(jīng)濟(jì)損失。