基于A r d u i n o的智慧农业大棚监控系统设计赵云娥,张风彦,吴怡晖(铜川职业技术学院,铜川727031)摘要:介绍了一种基于A r d u i n o的智慧农业大棚系统㊂该系统利用A r d u i n o作为主控板,利用数字红外运动传感器监测是否有人进入大棚;采用温度传感器和土壤湿度传感器对大棚的温度湿度进行监测;通过光照传感器监测光照强度,确定大棚是否开启补光灯;并将大棚的温度㊁湿度等各种状态数据通过G S M模块发送到管理人员手机终端,实现对大棚实时㊁高效的监测㊂管理人员也可以短信的形式发送给A r d u i n o控制板,控制相关温度㊁湿度继电器的工作,实现对大棚农作物生长环境参数的远程调控㊂关键词:A r d u i n o;智慧农业大棚;传感器中图分类号:T P368文献标识码:AD e s i g n o f I n t e l l i g e n t A g r i c u l t u r a l G r e e n h o u s e M o n i t o r i n g S y s t e m B a s e d o n A r d u i n oZ h a o Y u n e,Z h a n g F e n g y a n,W u Y i h u i(T o n g c h u a n V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e,T o n g c h u a n727031,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e p a p e r,a n i n t e l l i g e n t a g r i c u l t u r a l g r e e n h o u s e s y s t e m b a s e d o n a r d u i n o i s i n t r o d u c e d.T h e s y s t e m u s e s A r d u i n o a s t h e m a i n c o n t r o l p a n e l a n d u s e s d i g i t a l i n f r a r e d m o t i o n s e n s o r t o m o n i t o r w h e t h e r a n y o n e e n t e r s t h e g r e e n h o u s e.T h e t e m p e r a t u r e a n d h u-m i d i t y s e n s o r s a n d s o i l m o i s t u r e s e n s o r s a r e u s e d t o m o n i t o r t h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y o f t h e g r e e n h o u s e.T h e l i g h t i n t e n s i t y i s m o-n i t o r e d b y t h e l i g h t s e n s o r t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e l i g h t s u p p l e m e n t l a m p i s o n i n t h e g r e e n h o u s e.T h e t e m p e r a t u r e,h u m i d i t y a n d o t h e rd a t a o f t he g r e e n h o u s e s t a t u s a r e s e n t t o t h e m o b i l e p h o n e t e r m i n a l of t h e m a n ag e r th r o u g h G S M m o d u l e,s o a s t o r e a li z e r e a l-t i m e a n de f f i c i e n t m o n i t o r i n g o f t h e g r e e n h o u s e.T h e m a n a g e r s c a n a l s o s e n d m e s s a g e s t o t h e A r d u i n o c o n t r o l p a n e l t o c o n t r o l t h e o p e r a t i o n o f t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y r e l a y s a n d r e a l i z e r e m o t e c o n t r o l o f t h e g r o w t h e n v i r o n m e n t p a r a m e t e r s o f g r e e n h o u s e c r o p s.K e y w o r d s:A r d u i n o;i n t e l l i g e n t a g r i c u l t u r a l g r e e n h o u s e;s e n s o r引言目前,在农业生产过程中,最具标志性的生产技术是温室大棚种植技术㊂传统农业大棚存在设备简陋㊁从业人员劳动强度大,智能化程度低㊁农产品产量低等问题,智能温室大棚不仅能够有效解决我国对农产品需求日益增高的问题,也解决了以往的农业生产中智能化㊁信息化程度低的难题,能够很好地节约生产管理过程中的人力成本㊂A r d u i n o[1]是近年流行的一个基于开放原始代码的S i m p l e I/O平台,支持多种传感器扩展板,操作简单,功能多样,广泛应用于电子系统设计和互动产品开发等方面㊂本文设计的智慧农业大棚系统以A r d u i n o U n o[2]为主控单元,把最新的嵌入式技术㊁移动通信技术与农业温室种植相结合,利用数字红外运动传感器监测是否有人进入大棚;采用温度传感器和土壤湿度传感器对大棚内部植物生长环境要素,如温度㊁湿度㊁光照强度等,进行实时检测,并将大棚的各种状态数据通过G S M移动通信模块实时发送到管理人员手机终端,实现对大棚实时㊁高效的监测;通过光照传感器监测光照强度,确定大棚补光灯开启时间㊂同时,管理人员也可以通过G S M模块将一些控制信号(如温度命令㊁湿度命令等)发送给A r d u i n o,驱动相应外围设备工作,实时调整大棚内的温度㊁湿度以及光照强度等数值,从而实现对大棚的远程控制㊂1系统总体设计方案根据温室大棚的各种功能需求,智慧农业大棚系统的总体设计框图[3]如图1所示㊂本系统所用的主控单元是A r d u i n o U n o,用它来协调控制G S M模块㊁信息采集模块及其他外围设备㊂用户手机S I M卡通过G S M模块连接到A r d u i n o,实现了对大棚数据状态的采集和控制信号的发送㊂信息采集模块[4]包括光强度传感器㊁温度传感器㊁湿度传感器和红外感应器模块,用来监测是否有人进入大棚并实时采集大棚温度㊁湿度㊁光照强度等数据㊂其中,红外感应模块检测到人体红外线时,A r d u i n o 控制大棚内控制照明的继电器打开照明灯,方便人们工作,人离开时自动关闭;温度传感模块用于实时监测大棚温度,结合加热/散热装置,给大棚提供最适合农作物生长的温度范围,有效地将温度控制在20~30ħ;湿度传感模块用于检测土壤湿度,结合喷水/通风装置给大棚提供最适合农作物生长的湿度范围,将湿度控制在500~900%R H (系统监测窗口显示值)[5];光照强度传感模块,能够结合补光灯给大棚提供最适合农作物生长的光照强度,当光照强度太弱(小于5000l x)时,补光灯会根据光强的大小提供不同的亮度㊂G S M 模块不仅能帮助大棚管理人员实时采集温度㊁湿度㊁光照强度等状态数据,也能通过A r d u i n o 主控板发送一些控制信号到外围设备,维持大棚内的温度㊁湿度以及光照强度的数值在最适合农作物生长的范围内㊂此系统不仅大大减少了工作人员的劳动量,也为工作人员提供了方便舒适的工作环境以及高效的管理方式㊂图1 智慧农业大棚总体设计框图2 硬件设计2.1 红外感应模块本系统所用红外人体感应模块为H C S R 501[6],它采用德国进口的L H I 778探头,红外感应灵敏度高,可靠性强㊂该模块可重复触发进行工作,当检测到人体红外线时,持续输出高电平,A r d u i n o 点亮控制灯,检测不到时,则认为工作人员离开,熄灭控制灯㊂H C S R 501的监测距离为7m 左右,有超低电压工作模式,满足系统实际设计需求㊂2.2 温度传感器模块系统所用温度传感器为L M 35,这是一款带内部补偿机制的热电阻传感器,输出电压与摄氏温标呈线性关系,转换关系为:V O U T (T )=10m V/ħˑT ħ㊂温度传感器和加热㊁散热装置协同工作,从而维持大棚内的温度在农作物最适合生长的范围之内,其与A r d u i n o 的连接图如图2所示㊂图2温度传感器模块连接图图3 M o i s t u r eS e n s o r2.3 湿度传感器模块本设计采用的湿度传感器为M o i s -t u r e S e n s o r ,如图3所示㊂M o i s t u r eS e n s o r 模块的工作电压为5V ,使用极其方便,只要将其插入土壤中,就可以读出数据,是检测土壤湿度的理想选择㊂M o i s t u r e S e n s o r 通过两个插头间的阻值来判断土壤的湿度,土壤水分含量不同,电阻值就不同㊂模块中三极管的基极提供了大小不同的导通电流,此电流经发射极的下拉电阻后转换成相应的电压值㊂最终,用户根据电压值来判定土壤的湿度水平㊂输出值为0~300%R H ,则为干土壤;300~700%R H 则为湿土壤;700~950%R H 则为水㊂M o i s t u r e S e n s o r 模块在接入系统时,因其输出为模拟量,所以信号输出线必须连接到A r d u i n o 的模拟输入口(A 0),其和主控板的连接图如图4所示㊂在本设计中,A r d u i n o 主控器的12㊁13引脚分别连接喷水㊁通风装置继电器,控制喷水㊁通风装置工作㊂2.4 光强度传感模块本设计采用数字光强度传感器模块G Y 30来检测智慧大棚光强度值[7]㊂G Y 30核心芯片采用R OHM 原装B H 1750F V I 芯片,是一种基于I 2C 总线接口的光强度传感器集成电路,它可以探测较大范围的光强度变化(1~65535l x ),也可进行1l x 亮度的高精度测定㊂该模块内部包含标准的N X P I 2C 通信协议和通信电平转图4 M o i s t u r e S e n s o r 模块连接图换[8],而A r d u i n o I D E 中自带的W i r e 库封装了对于I 2C 的操作方法,所以两者可以很方便地实现通信㊂2.5 补光灯模块补光灯模块采用P WM 原理进行调光㊂通过调整P WM 信号不同的占空比就可以控制流过该模块L E D 灯电流的大小,实现补光亮度的调节㊂在该模块的控制电路中,电流通断的变化用NMO S 管实现,三极管提供MO S 管的驱动电流,P WM 信号由A r d u i n o 输出,高电平有效㊂A r d u i n o 控制器有6个P WM 接口,本设计用到的是D 3接口㊂光强度传感器模块㊁补光灯模块与主控芯片的连接图如图5所示㊂图5 光强度传感器模块和补光灯模块连接图2.6 G S M 模块G S M 模块[9]是和A r d u i n o 配套使用的外接G S M 拓展板,能使A r d u i n o 接入移动通信系统,实现发送控制信号和接收状态信息㊂使用G S M 拓展板前,需要将S I M 卡放入模块的卡槽中,然后将模块各引脚连接到对应A r d u i n o U n o 引脚,G S M 模块与A r d u i n o U n o 连接图如图6所示㊂为了确保通信成功,A r d u i n o U n o 需要先发送A T 指令进行测试㊂在实验室测试时,可以用MA X 232电平转换模块连接P C 串口进行调试㊂调试成功后,只需将调试图6 G S M 模块与A r d u i n o U n o 连接图时发送的A T 指令用A r d u i n o 程序实现,即可达到A r d u i -n o 控制G S M 模块收发短信的目的㊂值得注意的是,当通过P C 机用串口给G S M 模块发送A T 指令时,串口通信助手S S C OM 中的通信波特率设置为9600b ps ,如果通信成功,G S M 模块的接收区会返回O K ㊂G S M 模块连接P C 机串口通信界面如图7所示㊂图7 G S M 模块串口通信界面图当用P C 机调试通过后,就可以将G S M 模块通过串口连接A r d u i n o 主控制器,在A r d u i n o 主控制器中编写相应的指令代码,即可实现短信的收发和语音通话㊂3 软件设计3.1 系统软件流程智慧农业大棚需要进行温度与湿度㊁光照强度数据的采集,还要判断数据的大小,并根据不同的数据大小执行相应的操作㊂另外,还要用手机远程监测各种状态及控制大棚的各种执行机构工作㊂为了使得各个任务有条不紊地进行,本文设计的系统程序流程图如图8所示㊂具体工作流程为:首先系统进行初始化,包括A r d u i n o 主控制器以及I /O 接口㊁串口等的一些设置[10]㊂然后,A r d u i n o 主控制器控制G S M 模块监测是否收到来自管理员手机端的控制命令㊂若有,则根据指令类型来驱动相应的外部设备工作㊂若为温度指令,则根据当前温度值决定加热还是散热;若是湿度指令,则根据大棚湿度值决定是浇水还是通风;若是光强度指令,则根据当前光照强度决定是否开启补光灯㊂若没有收到来自手机端的控制命令,那么就分别进行温度㊁湿度以及光照强度的采集㊂判断温度值是否在20~30ħ范围内,小于20ħ则加热,大于30ħ则散热;判断湿度值是否在500~900%R H 范围内,小于500%R H 则浇水,大于900%R H 则通风;判断光强度值是否大于5000l x,若小于则开启补光灯㊂最后检测有无来自手机端的读取温度㊁湿度和光强度命令,若收到,则A r d u i n o 控制G S M 模块将对应值发送到管理员手机端供其查阅㊂需要说明的是,本设计设置的温度㊁湿度㊁光照强度值范围为一般农作物常用值,不同的农作物习性不同,其范围可根据需要进行合理调整㊂图8 系统程序流程图3.2 算法示例本系统软件设计采用自顶向下的方式进行,系统主函数通过调用各个封装好的子函数模块,实现设计目的㊂软件设计细分为红外感应模块㊁温度传感模块㊁G S M 模块等6个模块㊂现以较有代表性的温度传感器模块和G S M 模块算法实现为例,介绍模块功能的软件实现方法㊂算法一:/*温度采集及加热㊁散热控制函数*/v o i d l o o p(){ i n t v a l ; //定义变量 i n t d a t ;//定义变量v a l =a n a l o g R e a d (t e m P i n ); //读取传感器值d a t =(125*v a l )>>8; //温度计算公式i f (d a t <20)//温度小于20ħ,则加热 d i g i t a l W r i t e (j i a r e P i n ,H I G H ); i f (d a t >30)//温度大于30ħ,则散热 d i g i t a l W r i t e (s a n r e P i n ,H I G H ); S e r i a l .p r i n t ("T e p :"); //输出温度值S e r i a l .p r i n t (d a t ); S e r i a l .p r i n t l n ("ħ"); d e l a y (500); //延时500m s}算法二:/*G S M 模块实现通过G S M 网络以短信形式控制大棚温度㊁湿度㊁光强度*/i f (s m s .a v a l i a b l e()){//如果收到短信 S e r i a l .p r i n t l n ( M e s s a ge r e c e i v e df r o m :); s m s .r e m o t e N u m b e r (r e m o t e N u m -b e r ,20); S e r i a l .p r i n t l n (r e m o t e N u m b e r );//打印对方手机号S w i t c h (s m s .pe e k ()){ c a s e '1':d i g i t a l W r i t e (7,H I G H );b r e a k;//收到短信1,开灯 c a s e '2':d i g i t a l W r i t e (ji a r e P i n ,H I G H );b r e a k ;//收到短信2,加热 c a s e '3':d i gi t a l W r i t e (s a n r e P i n ,H I G H );b r e a k;//收到短信3,散热c a s e '4':d i g i t a l W r i te (ji a o s h u i P -i n ,H I G H );b r e a k;//收到短信4,加热 c a s e '5':d i g i t a l W r i t e (t o n g f e n g -P i n ,H I G H );b r e a k;//收到短信5,通风 c a s e '6':a n a l o gW r i t e (3,200);b r e a k;//收到短信6,开补光灯}}e l s e {i f (w e n d u <20){ d i g i t a l W r i t e (j i a r e P i n ,H I G H ); s e n d m e s s a g e (o p e n j i a r e qi );}i f (w e n d u >30){ d i g i t a l W r i t e (s a n r e P i n ,H I G H ); s e n d m e s s a g e (o p e n s a n r e qi );}}4 系统测试本次测试选用设备为4个自制环境模拟量采集板[11],每个采集板上挂接1个红外感应模块㊁1个温度传感器㊁1个湿度传感器㊁1个光照传感器㊁1个G S M 模块及多个继电器;1个主控制器㊂测试地点为智慧农业大棚,分布为东南西北4个方向,约半径为1k m 的范围内㊂将系统程序下载到A r d u i n o 控制板[12]后,测试结果表明,所有设备都正常工作,多个温度传感器同一时刻采集的温度最大值与最小值之差小于0.3ħ;湿度最大值与最小值的差为1%R H ;光照传感器采集的最大值与最小值差为3l x㊂试验证明,系统设备数据采集精度较高,运行稳定,满足实际需求㊂结 语通过多天测试,实践证明该系统性能稳定,价格低廉,大大降低了智慧农业大棚管理系统设备及管理成本,减轻了农业生产过程中带来的经济压力㊂另外,该系统可以方便快捷地对农作物生产环境的一些重要参数(如温度㊁湿度等)进行实时检测和控制,在自动化生产过程中有效地控制环境,不仅能够提高农作物经济效益,也能为农民提供相对安全㊁舒适的工作环境㊂本系统具有较强的可实施性,适合进一步推广应用㊂今后可在系统中整合物联网技术㊁4G 移动通信技术等,选择高性能的处理器,进一步优化系统性能,推动形成网络化㊁智能化㊁精细化的现代生态农业新模式㊂参考文献[1]李明亮.A r d u i n o 项目D I Y [M ].北京:清华大学出版社,2015:189210.[2]赵云娥,吴振强.基于A r d u i n o 的双模式智能避障小车系统设计与实现[J ].现代电子技术,2017,40(21):9497.[3]周新淳,张瞳,吕宏强.基于物联网的精准化智慧农业大棚系统设计[J ].国外电子测量技术,2016,35(12):4449.[4]李光明,孙英爽,党小娟.基于安卓的远程监控系统的设计与实现[J ].计算机工程与设计,2016,37(2):556561.[5]陈琳,赵江,种景,等.基于A r d u i n o 的分布式网络温湿度监控系统设计与实现[J ].电子设计工程,2018,26(4):6669.[6]张钰玲.农业大棚智能控制系统设计与研究[J 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