摘 要：為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚產(chǎn)能效率低、穩(wěn)定性不足及智能化程度低等問題，設(shè)計了一套基于開源鴻蒙操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托各類傳感器和嵌入式設(shè)備，以采集大棚生長環(huán)境數(shù)據(jù)；將采集的數(shù)據(jù)通過騰訊云傳輸?shù)轿⑿判〕绦?，進行實時監(jiān)測并存儲；通過對比標(biāo)準(zhǔn)生長環(huán)境參數(shù)與實時生長環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行自動灌溉、調(diào)光、加熱、通風(fēng)等操作，以調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部環(huán)境。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制溫室大棚內(nèi)部的環(huán)境，使農(nóng)作物在適宜的環(huán)境中生長。通過溫室大棚的自動化控制，為物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；實時監(jiān)測；騰訊云；數(shù)據(jù)庫；MQTT；開源鴻蒙操作系統(tǒng)

中圖分類號：TP272 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-05

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著數(shù)字化、精確化和智能化的方向轉(zhuǎn)變。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)業(yè)在我國的經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用[1]。然而，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)大棚種植大多仍采用傳統(tǒng)的種植方式。該方法智能化程度低，嚴(yán)重依賴人力操作，使種植者無法準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物的實時數(shù)據(jù)，難以進行科學(xué)管理。因此，國內(nèi)亟需推動農(nóng)業(yè)大棚種植的升級轉(zhuǎn)型。文獻[2]基于ZigBee設(shè)計了一種智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)，能夠滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度要求，但是歷史測量數(shù)據(jù)不能存儲于數(shù)據(jù)庫中，因此無法根據(jù)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)分析環(huán)境對農(nóng)作物產(chǎn)生的影響。文獻[3]基于霧計算設(shè)計了一種溫室智能感控系統(tǒng)，提升了大棚的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。文獻[4]基于NB-IoT無線通信技術(shù)設(shè)計了一種農(nóng)作物大棚檢測系統(tǒng)，文獻[5]基于LoRa設(shè)計了一種溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)均對大棚中的數(shù)據(jù)進行采集處理，但是沒有涉及移動端的設(shè)計。因此，本文采用具有協(xié)議簡潔、 可擴展性強、速度快、實時性好等特點的MQTT傳輸協(xié)議[6]和騰訊云平臺，設(shè)計了基于OpenHarmony的物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)，并且以微信小程序作為移動端，對環(huán)境進行實時監(jiān)測，并采集大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)[7]。該系統(tǒng)能夠提供準(zhǔn)確的農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)，最大程度滿足農(nóng)作物的生長需求。物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)的應(yīng)用將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的改變和提升。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)基于OpenHarmony操作系統(tǒng)，采用WiFi作為無線數(shù)據(jù)通信方式。系統(tǒng)由智能傳感器、嵌入式設(shè)備、攝像設(shè)備和微信小程序組成。在該系統(tǒng)中，Hi3861微處理器扮演環(huán)境主控板的角色，通過與各傳感節(jié)點建立數(shù)據(jù)通信連接，實現(xiàn)了對大棚生長環(huán)境數(shù)據(jù)的高效采集。該微處理器充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸總節(jié)點的角色，負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)傳送至騰訊云數(shù)據(jù)庫，并通過微信小程序顯示。這一系統(tǒng)架構(gòu)能夠準(zhǔn)確采集和便捷展示農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)，為用戶提供全面的監(jiān)測與管理功能。同時，Hi3861還負(fù)責(zé)處理各傳感節(jié)點采集的數(shù)據(jù)、云服務(wù)器下發(fā)的天氣信息和攝像設(shè)備拍攝的農(nóng)作物影像。系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)，針對大棚中發(fā)生的環(huán)境變化和病蟲害，采取相應(yīng)的措施。此外，Hi3861還可分析大棚中農(nóng)作物的生長情況，并營造最適合當(dāng)前農(nóng)作物生長的環(huán)境。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 供電模塊設(shè)計

該系統(tǒng)采用交流220 V電源和太陽能輔助電源供電。交流220 V電源是系統(tǒng)主要的供電來源，但由于溫室大棚通常位于供電系統(tǒng)薄弱的郊區(qū)，而系統(tǒng)的穩(wěn)定性受惡劣天氣的影響較大，因此大幅增加了斷電的概率。為了彌補斷電時大棚無法用電的缺陷，系統(tǒng)引入了太陽能蓄電池輔助供電。系統(tǒng)通過對太陽能轉(zhuǎn)化后的電能的收集和儲存，使得大棚在外部斷電的情況下也能夠保持穩(wěn)定運行。此外，系統(tǒng)還配備了GSM模塊，能夠向管理人員發(fā)送短信，提醒其及時采取應(yīng)對措施。

2.2 傳感器模塊選型

環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊主要通過各類傳感器收集大棚中的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括空氣溫度、空氣濕度、光照強度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)、土壤濕度和pH等[8]，這些環(huán)境參數(shù)對于農(nóng)作物的生長有著重要的影響。傳感器模塊原理如圖2所示[9]。

選用SHT30溫濕度傳感器進行空氣溫濕度檢測。該傳感器溫度測量精度可達±0.3 ℃，支持I2C通信，測量誤差小，功耗低，穩(wěn)定可靠。

選用SGP30二氧化碳傳感器監(jiān)測二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。該傳感器內(nèi)部集成了4個氣體傳感元件，可以完全校準(zhǔn)空氣質(zhì)量輸出信號，具有計算準(zhǔn)確、反應(yīng)靈敏和性能穩(wěn)定等特點，且內(nèi)置穩(wěn)壓芯片，通過提供的I2C通信接口，可準(zhǔn)確獲取大棚內(nèi)的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。

選用土壤綜合傳感器檢測土壤濕度。該傳感器支持12～24 V的工作電壓，提供RS 485總線接口，采用電磁式非接觸測量方式，具有強穩(wěn)定性、長壽命和高精度等特點，可準(zhǔn)確獲取土壤濕度。

選用GY-20數(shù)字型光照強度傳感器模塊檢測光照強度。該模塊采用BH1750FVI芯片，支持3～5 V工作電壓，提供I2C總線接口，內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，擁有接近于視覺靈敏度的分光特性，光照強度檢測精度[10]可達±1 lx。

2.3 主控模塊設(shè)計

主控模塊的主要功能是控制下發(fā)指令和上傳采集模塊采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。環(huán)境主控板采用Hi3861微處理器。Hi3861是海思技術(shù)有限公司出品的一款物聯(lián)網(wǎng)芯片，具有低功耗、高集成度等特點。它集成了WiFi和藍牙功能，支持WiFi 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)和藍牙4.2標(biāo)準(zhǔn)，可通過AT指令配置MQTT協(xié)議與騰訊云平臺連接。Hi3861功能如圖3所示。

在該設(shè)計中采用RS 485和I2C通信相結(jié)合的方式連接主控制器Hi3861和傳感器模塊。傳感器模塊將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后，通過I2C總線和RS 485總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破鱄i3861中；主控制器Hi3861將傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理并上傳到騰訊云服務(wù)器。傳感器連接電路如圖4所示。

2.4 開源鴻蒙操作系統(tǒng)

OpenHarmony是由華為技術(shù)有限公司出品的操作系統(tǒng)，旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)領(lǐng)域的需求。它采用微內(nèi)核設(shè)計和分布式架構(gòu)，使得硬件資源可以根據(jù)需求動態(tài)分配，提高了系統(tǒng)整體的靈活性和響應(yīng)速度。OpenHarmony操作系統(tǒng)具有模塊化的特點，允許開發(fā)者根據(jù)實際需求選擇使用部分或全部組件，便于定制化開發(fā)。這為物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚設(shè)計提供了極大的便利。此外，OpenHarmony注重安全性，內(nèi)置了多種安全防護措施，如訪問控制、權(quán)限管理、加密通信等，能夠確保大棚數(shù)據(jù)的安全。

2.5 環(huán)境控制模塊設(shè)計

Hi3861環(huán)境主控板承擔(dān)著對加熱器、通風(fēng)扇、滴灌系統(tǒng)以及調(diào)光膜等設(shè)備的控制任務(wù)。攝像模塊負(fù)責(zé)捕捉農(nóng)作物影像數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)傳輸至騰訊云服務(wù)器。在云服務(wù)器上對農(nóng)作物的影像數(shù)據(jù)進行處理，以識別當(dāng)前作物所處的生長期。云服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的農(nóng)作物各個時期最適生長環(huán)境數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前生長期的最適生長環(huán)境參數(shù)，并將其下發(fā)至環(huán)境主控板。

環(huán)境主控板收到云服務(wù)器下發(fā)的最適生長環(huán)境參數(shù)后，及時調(diào)節(jié)大棚中各類設(shè)備，以確保農(nóng)作物在理想的生長條件下生長。同時，大棚管理人員可以通過微信小程序?qū)崟r監(jiān)測大棚內(nèi)部環(huán)境和控制大棚內(nèi)各種設(shè)備的運行狀態(tài)。他們還有權(quán)修改云服務(wù)器下發(fā)到環(huán)境主控板的農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，以便根據(jù)實際情況進行靈活調(diào)整。

通過這一系統(tǒng)，大棚實現(xiàn)了自動控制的最優(yōu)生產(chǎn)方式。這種智能化的農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)不僅提高了生產(chǎn)效率，還為用戶提供了更便捷、更精準(zhǔn)的生產(chǎn)管理手段。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括主程序和環(huán)境采樣程序，即空氣溫濕度采樣程序、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)采樣程序、光照強度采樣程序、土壤濕度采樣程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和各設(shè)備控制程序。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)選用華為海思出品的DevEco作為開發(fā)環(huán)境，采用C語言作為編程語言。系統(tǒng)上電后，對各模塊進行初始化，并連接大棚內(nèi)WiFi。連接成功后，Hi3861等時間間隔驅(qū)動各傳感器采集并處理環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)云平臺下發(fā)的農(nóng)作物最適生長環(huán)境參數(shù)來控制各設(shè)備。同時，Hi3861將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至騰訊云。成功上傳后用戶可在微信小程序上查看。主程序流程如圖5所示。

3.2 農(nóng)作物識別算法設(shè)計

農(nóng)作物在生長過程中會受到外界因素的影響，可能導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)生各種疾病，使得農(nóng)作物產(chǎn)量降低，對以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的經(jīng)濟造成影響。為能夠及早診斷農(nóng)作物病害，使農(nóng)民能夠及時采取應(yīng)對措施，避免進一步損失，本文設(shè)計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)作物病蟲害識別方法，并搭建了農(nóng)作物病蟲害識別軟件平臺[11]。

獲取數(shù)據(jù)集，選擇YOLOv5s作為檢測網(wǎng)絡(luò)，并引入k-Means++獲取目標(biāo)框，使得檢測結(jié)果更加貼合葉片的實際情況，同時降低網(wǎng)絡(luò)模型負(fù)擔(dān)，使模型輕量化；優(yōu)化C3模塊，將Neck模塊中的PANet改為BiFPN；選擇Inception-ResNet-v2模型進行病蟲害識別，保證對于多種葉片病害具有較好的識別效果；引入SENet注意力機制改進網(wǎng)絡(luò)模型，提升病蟲害種類識別準(zhǔn)確度。

4 騰訊云平臺搭建

騰訊云平臺是騰訊計算機系統(tǒng)有限公司為廣大開發(fā)者提供的云平臺。在微信開發(fā)者工具中，創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，以密鑰方式認(rèn)證。使用MQTT協(xié)議完成硬件平臺與客戶端的通信，利用微信小程序提高用戶使用的便捷性。以騰訊云平臺為媒介將硬件平臺與客戶端聯(lián)系起來，硬件平臺和客戶端可通過云平臺訂閱主題。當(dāng)有數(shù)據(jù)上傳或者命令下發(fā)時，云平臺自動為訂閱設(shè)備推送消息。

注冊微信小程序賬號，登錄微信小程序后，在微信開發(fā)者工具中進行相關(guān)開發(fā)。完成密鑰認(rèn)證后，配置當(dāng)前環(huán)境。微信小程序登錄界面如圖6所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試過程中，溫室大棚管理系統(tǒng)可以正常工作。在微信小程序界面輸入賬號和密碼，即可進入設(shè)備管理界面。界面利用卡片形式展現(xiàn)，各卡片分別代表棚內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)，下方3個開關(guān)分別控制加熱扇、通風(fēng)扇和水泵的開啟與關(guān)閉。微信小程序界面如圖7所示。

測試系統(tǒng)的環(huán)境自動調(diào)節(jié)性能。在測試過程中，每間隔2 h監(jiān)測1次。測試后得到的空氣溫濕度、土壤濕度和光照強度數(shù)據(jù)分別見表1～表4。

從測得的數(shù)據(jù)分析可知，空氣溫濕度、土壤濕度和光照強度的平均誤差分別為±2.24 ℃、±4.82%、±2.82%和±37.4 lx。由此可知，系統(tǒng)的測量精度及數(shù)據(jù)完整性能夠確保物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚正常運行。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于OpenHarmony的物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚控制系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫存儲、遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)自動調(diào)節(jié)等功能，滿足了大棚的種植要求。用戶可以隨時在微信小程序上查看大棚當(dāng)前的環(huán)境狀況，并查看各環(huán)境調(diào)控設(shè)備的運行狀態(tài)。系統(tǒng)可以直接控制各個環(huán)境設(shè)備運行，為農(nóng)作物營造良好的生長環(huán)境。該系統(tǒng)不僅節(jié)約了資源，提高了產(chǎn)能，還順應(yīng)了萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化、精準(zhǔn)化、可視化保障。

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