賈超，侯彥澤，張奧

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古呼和浩特，010010；2.大連市氣象服務(wù)中心，遼寧大連，116001）

0 引言

智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)是指在室內(nèi)或半室內(nèi)利用現(xiàn)代信息技術(shù)和智能化設(shè)備，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的種植、養(yǎng)殖、管理等進(jìn)行全方位、全過程的智能化管理，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展水平的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。目前，荷蘭的設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個高度智能化、自動化和數(shù)字化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。日本、以色列、美國等國在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的自動化和智能化程度較高，具有一定的特色和優(yōu)勢[1]。我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展，主要以溫室和大棚為主。2016 年，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積已經(jīng)達(dá)到1.8 億畝，占全國耕地面積的8.3%，已然成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。通過采取政策、財(cái)政和技術(shù)支持，市場推廣，建設(shè)示范基地等措施，加大發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的支持力度，加速提升相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自動化、數(shù)字化和智能化程度，效果顯著[2]。

首先，設(shè)施農(nóng)業(yè)的南北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡，呈現(xiàn)“南強(qiáng)北弱”的格局[3]。其次，相較發(fā)達(dá)國家，我國相關(guān)技術(shù)水平還存在差距，仍有提升空間。再次，設(shè)施農(nóng)業(yè)的成本較高，這成為制約該產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個因素[3]。最后，設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要綠色低碳節(jié)能的技術(shù)作為支撐。

針對我國北方設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的問題，本文提出一種基于AT89C51 的設(shè)施農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，制作出能夠?qū)崿F(xiàn)控制農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境、故障調(diào)整、異常報(bào)警，信息無線上傳、遠(yuǎn)程終端監(jiān)控功能的智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)和AT89C51 的智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，利用ESP8266 通信模塊可通過MQTT協(xié)議與云端以及終端 產(chǎn)生有效連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能[4,5]。

■1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的骨干，它由程序調(diào)控，通過驅(qū)動電路對外設(shè)進(jìn)行操作，充分發(fā)揮無線通信的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳顯示和遠(yuǎn)程操控，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下。

1.1.1 主控硬件框架

鑒于北方大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)情況，從成本角度出發(fā)，本著簡單實(shí)用的設(shè)計(jì)思路對硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件結(jié)構(gòu)由六部分組成，分別是主控模塊、傳感模塊、顯示模塊、驅(qū)動模塊、通訊模塊和電源模塊。

（1）主控模塊：主控芯片是AT89C51 型單片機(jī)，采用愛特梅爾公司（ATMEL）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MCS-51（是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計(jì)時器等功能集成的電路芯片）作為微控制器，可直接連接驅(qū)動電路，負(fù)責(zé)處理接收到的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生控制信號來喚醒驅(qū)動模塊；

（2）傳感模塊：由布設(shè)在大棚空間內(nèi)多個不同區(qū)域預(yù)設(shè)點(diǎn)位的溫度傳感器、濕度傳感器和光敏傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)環(huán)境各預(yù)設(shè)點(diǎn)位的溫度、濕度和光照數(shù)據(jù)；

（3）顯示模塊：其核心部件是SMG12864ZK 液晶顯示模塊，負(fù)責(zé)實(shí)時顯示大棚內(nèi)各項(xiàng)指定的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)；

（4）驅(qū)動模塊：主要負(fù)責(zé)將弱電轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電，驅(qū)動和控制如通風(fēng)照明系統(tǒng)、滴灌系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)等外設(shè)，產(chǎn)生相應(yīng)的執(zhí)行動作，對大棚內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，且數(shù)據(jù)異常時可觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)；

（5）通訊模塊：采用ESP8266 模塊（是一款高性能的WiFi 串口模塊，內(nèi)部集成MCU 能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間串口通信，是目前使用最廣泛的一種WiFi 模塊之一，可將其簡單理解為一個WiFi 轉(zhuǎn)串口的設(shè)備）進(jìn)行云端連接，通過主控板的UART 端口（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 通用異步收發(fā)器，芯片間的通信接口）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)與終端間交互，即可實(shí)現(xiàn)將主控模塊處理的數(shù)據(jù)上傳云端，下傳控制指令；

（6）電源模塊：負(fù)責(zé)將市電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定地電路的額定電流和電壓驅(qū)動整體電路正常工作。特別指出的是，供電設(shè)計(jì)采用扁平耦合器TLP127（適用于貼片安裝，包含一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，該二極管光耦合到一個達(dá)林頓光電晶體管，適合工作范圍為-55℃～100℃）為供電電路消除前期噪聲，防止漏電情況發(fā)生。

圖1 硬件組成框圖

1.1.2 供電安全及顯示

基于AT89C51 的農(nóng)業(yè)大棚控制電路設(shè)計(jì)中，扁平耦合器TLP127 可以用于隔離輸入輸出信號，防止信號干擾和電氣隔離，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。具體來說，AT89C51單片機(jī)的輸入輸出電路是通過晶體管或MOS 管來完成的，其與外界存在電學(xué)連接，使輸入輸出端口易受到外部電氣噪聲或漏電流等異常信號干擾，導(dǎo)致單片機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定甚至崩潰。扁平耦合器TLP127 通過光學(xué)信號隔離輸入輸出信號，避免了電學(xué)連接，從而有效地消除電氣噪聲和漏電流等異常信號的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該耦合器還具有高耐電壓、高速響應(yīng)、小封裝體積的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚控制電路中。

SMG12864ZK 模塊是128×64 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312 碼簡體中文字庫、128 個字符及64×256 點(diǎn)陣顯示RAM。提供8位并行、串行兩種連接方式和兩種界面來連接微處理機(jī)。具有光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等功能?？梢燥@示三種字型，三種字型的選擇由寫入DDRAM 中的編碼決定。

圖2 SMG12864ZK 的8 位并行電路連接示意圖

■1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為突出簡約實(shí)用的特點(diǎn)，更好地適用于北方農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)，結(jié)合成本等多方面現(xiàn)實(shí)因素考量，在保留現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對其功能進(jìn)行了整合和簡化，主程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，使其脈絡(luò)簡潔清晰，便于查找問題和后期運(yùn)維。主程序包含初始化程序模塊、數(shù)據(jù)采集程序模塊、數(shù)據(jù)傳輸程序模塊、控制程序模塊、預(yù)警程序模塊。主程序框圖見圖3。

圖3 主程序框圖

各個程序子模塊的功能設(shè)計(jì)如下：

（1）初始化程序模塊：用戶驗(yàn)證信息后登錄，程序即進(jìn)入初始化操作流程。程序初始化同時完成網(wǎng)絡(luò)傳輸初始化、狀態(tài)開關(guān)初始化、模擬采集量初始化、數(shù)字采集量初始化、驅(qū)動初始化五個部分工作。初始化的目的是完成對各個管腳復(fù)位、清空臨時緩存、設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻次為20～60s/次，默認(rèn)60s，設(shè)定數(shù)據(jù)上傳時間間隔5～10min/次，系統(tǒng)默認(rèn)5min/次。

圖4 初始化流程

（2）數(shù)據(jù)采集程序模塊：大棚內(nèi)各預(yù)置設(shè)定點(diǎn)位的傳感器，通過識別主控芯片發(fā)出的相應(yīng)指令完成對大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的采集和數(shù)字濾波處理工作。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程

（3）數(shù)據(jù)傳輸程序模塊：完成數(shù)據(jù)上傳與命令接收。按照(1)中的相應(yīng)的規(guī)定時間間隔設(shè)定，將規(guī)定時間間隔內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)打包傳輸至云端，且實(shí)時接收云端發(fā)出的控制指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和信息交互。

（4）控制程序模塊：對各預(yù)設(shè)點(diǎn)位采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷，對不同的外設(shè)生成相應(yīng)的控制信號，最終由驅(qū)動單元對執(zhí)行外設(shè)進(jìn)行控制，達(dá)到及時調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的目的。

（5）預(yù)警程序模塊：監(jiān)控各外設(shè)和既定程序是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，依據(jù)閾值設(shè)定預(yù)警環(huán)境參數(shù)的異常，利用斷點(diǎn)判斷程序是否正常，如程序“卡死”即預(yù)警，并自動重啟。外設(shè)設(shè)有程序手動復(fù)位開關(guān)和終端界面故障燈亮起等提示性功能。

■1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，是智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，是聯(lián)系各功能執(zhí)行硬件、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)調(diào)外設(shè)的紐帶。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)由物聯(lián)網(wǎng)、通信協(xié)議、云端配置和Web 界面四個部分構(gòu)成。

1.3.1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)由傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、交互層和應(yīng)用層組成。傳感層主要是負(fù)責(zé)通過傳感器來識別和收集信息，AT89C51 主控板通過不同接口形式的傳感數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)傳感層的數(shù)據(jù)構(gòu)成；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳輸上述信息，利用AT 指令，將數(shù)據(jù)通過WiFi 傳送到物聯(lián)網(wǎng)云端。交互層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、接入和轉(zhuǎn)發(fā)。通過阿里云和MQTT 協(xié)議，接入云平臺需要的鑒權(quán)方式。應(yīng)用層負(fù)責(zé)結(jié)合具體的應(yīng)用需求，利用可視化工具，建立服務(wù)、Web 顯示、調(diào)度和控制界面，便捷地編制出終端控制的APP 在云端上對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，以此來實(shí)現(xiàn)智能化的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.3.2 通信協(xié)議

目前，物聯(lián)網(wǎng)硬件控制單元與用戶終端通信方式多數(shù)是基于HTTP，即超文本傳輸協(xié)議，但存在對網(wǎng)絡(luò)資源消耗較大、延遲較高等問題，無法滿足需求[3～7]。而紫峰通信協(xié)議Zigbee 易受干擾，遠(yuǎn)距離通信能力不佳，應(yīng)用在遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中會放大這一劣勢[6,7]。MQTT 協(xié)議是基于客戶端到服務(wù)器，支持消息發(fā)布和訂閱的消息傳輸協(xié)議[7]，其代碼占用空間低，可應(yīng)用于高延遲、寬帶有線網(wǎng)絡(luò)。阿里云平臺，其遠(yuǎn)程通信（MQTTNbiot）通過公有云代理服務(wù)器進(jìn)行，由API 接口可連接到阿里云平臺。UI 界面簡潔易學(xué)，可按需定制功能。提供相應(yīng)的Web 頁面，支持云存儲，數(shù)據(jù)處理等操作。采用MQTT 協(xié)議，這與當(dāng)下的使用環(huán)境更加匹配，AT89C51 主控板也可兼容。

1.3.3 云端配置

監(jiān)測功能是智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主體功能，利用傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)優(yōu)勢，以阿里云為云端平臺為媒介，通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊上傳數(shù)據(jù)，將獲得的信息形成可視化UI 界面，為用戶提供更加便捷可靠的使用體驗(yàn)。登錄云端后，在設(shè)置選項(xiàng)中顯示實(shí)際應(yīng)用場景涉及的大多數(shù)常見功能屬性，用戶可根據(jù)需求挑選需要監(jiān)管控制的功能屬性，實(shí)現(xiàn)個性化定制。

圖6 自定義功能界面

依據(jù)用戶需求設(shè)定屬性和功能后，即可以進(jìn)入個人定制的狀態(tài)監(jiān)控界面，通過云端與大棚的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。可結(jié)合實(shí)時顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程手動管理和外設(shè)的控制功能。

圖7 Web 界面

智能農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一款以計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)緊密綜合的智能服務(wù)系統(tǒng)，雖然以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為基礎(chǔ)，在智能化、數(shù)據(jù)化管理、實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制等方面有著明顯的優(yōu)勢，但也面臨著一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等劣勢。首先是安全風(fēng)險(xiǎn)問題。AT89C51 的芯片安全性較低，容易受到攻擊和惡意軟件的侵害。其中，監(jiān)控系統(tǒng)需要通過云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互，存在網(wǎng)絡(luò)安全問題。對于該問題至今仍在尋求和嘗試低成本且效果良好的解決方案。

2 結(jié)語

自“十四五”規(guī)劃以來，我國為更好地保障人民的“糧袋子”和“菜籃子”，一直在智慧設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新方面給予高度關(guān)注和大力支持。本文所述的智慧農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以云端定制和優(yōu)良的響應(yīng)度為特色，為北方設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化、增效節(jié)能化提供了一種可行方案和數(shù)據(jù)支撐，雖仍存在不足，但能滿足北方設(shè)施農(nóng)業(yè)的日常生產(chǎn)需求。同時該方案也會依據(jù)用戶需求和反饋以及創(chuàng)新理念進(jìn)行不斷迭代，為北方設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。