黄宏 何红兵 陈年欲 田鹏 董超

摘 要：本文主要讨论了关于基于云平台的智能大棚系统项目设计方案。本项目采用AT89S52单片机作为前端数据采集总控模块，利用WIFI模块进行信号传输，由PC机进行后端的数据存储及分析。整个系统主要由基于实物大棚搭建的模型，基于多种传感器的感知模块，基于LCD显示的实时可视化检测，基于Wi-Fi模块的数据传输模块，基于SQL语言的后台数据库处理模块，以及基于Web的可视化网页控制端。以相对稳定的性能实现智能大棚的基本功能，为人们营造出一个更加方便智能的农业生产环境。

关键词：物联网；云平台；智能大棚；Wi-Fi；数据库

1概述

基于云平台的智能大棚系统主要由由环境监测系统，环境信息实时显示系统，无线传输系统，网络数据库系统，网页操控系统等辅助系统构成。大棚内环境中的光照、温度、湿度等物理量，通过相关的传感器转变为模拟信号，经Wi-Fi模块传输，由PC端接收并转换为数字信号存入数据库中，然后通过网页运程访问我们的数据库中的信息，还能通过网页操控大棚内的一些硬件设施来改变大棚内的温度、湿度、光照环境，使棚内农作物能够更好生长。

现在的农业生产活动中，传统人工大棚在市场上还是占据主体地位，另外一些只具有简单智能功能的大棚也在开始普及，但此类大棚功能单一，管理麻烦，安全系数不高，人工管理成本无法降低，随着物联网时代的到来这些大棚的生产效益已经不再具有任何优势。而基于云平台的智能大棚系统能够很好解决这些问题。

2系统总体设计方案

云平台智能大棚系统是由环境监测系统，环境信息实时显示系统，无线传输系统，数据库系统，网页远程操控系统等辅助系统构成。大棚内环境中的光照、温度、湿度等物理量，通过相关的传感器转变为模拟信号，经Wi-Fi模块传输，由PC端接收并转换为数字信号存入数据库中，然后可以通过网页访问我们的数据库中的信息和实时视频监控，管理员还能通过网页操控大棚内的遮阳帘、喷雾器、换气扇等装置来改变大棚内的温度、湿度、光照、CO2浓度。对于农作物在其生长周期内的所有监测数据，系统能够自动生成线性图，与作物生长状况进行对比，从而找到大棚内环境不适宜的某时段，对系统所设环境参量阈值进行调整，确保以后该作物生长环境最佳。

3系统详细设计方案

3.1硬件设计

3.1.1主控结构设计

该结构以单片机主控板AT89S52为主控芯片，主要功能有I/O端口，邏辑处理判断，外部电路驱动及A/D采样，是前端采集应答智能化的集中体现。各路传感器和电机继电器都直接与单片机连接，且供电线都与单片机VCC和GND引脚相连以提供5V工作电压，信号端与单片机的可编程输入/输出引脚相连接。除了实现对外部电路的控制和信息处理，还实现着控制Wi-Fi模块的信息交互。

3.1.2环境监测与实时显示结构设计

为了监测大棚内环境因素的变化，使用了光敏传感器、温度传感器、湿度传感器、CO2浓度传感器、视频传感器。这些传感器直接连接在单片机上，电源接在单片机VCC和GND引脚。可直接把数据传给主控芯片。然后通过连接在单片机上的LCD显示屏，实时显示各种传感器上所返回的数据【1】。

3.1.3 Wi-Fi传输模块设计

功能是将串口或TTL电平转为符合Wi-Fi无线网络通信标准【2】的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11b.g.n协议栈以及TCP/IP协议栈。此模块置于窗体旁，实时将各模块采集的数据经单片机通过Wi-Fi电磁波发送至信号覆盖区域的服务器上。服务器返回指令通过Wi-Fi发送到单片机，单片机再向下一级传递指令。

3.1.4环境调节结构设计

1）喷雾加湿装置：由继电器控制雾化器抽水泵工作。当环境湿度低于设定值时，电源接通，水泵开始工作，抽取外部蓄水池的水进入雾化喷头，在棚内进行喷雾作业，达到降温加湿的目的。

2）风扇通风装置：同样由继电器控制风扇电机工作。当环境温度CO2浓度超出规定阈值时【3】，电源接通，风扇工作，更换棚内气体，达到降温控制CO2浓度的目的。

3）遮阳帘装置：由减速电机作为传动装置。当检测到棚内光照强度过高时，电源接通，电机转动带动遮阳帘的运动，通过改变受光面积来改变光照强度。

这三种装置的控制既能由环境的变化而自动调节，还能由管理员在网页进行人为操作来进行启动，这样做更加人性化。

3.2软件设计

将服务器连到Wi-Fi网络，打开配置软件，随后软件自动监听并转Wi-Fi的IP地址和端口。此时有节点网络之后，在软件的配置界面里面出现未配置的节点，我们点击配置，设置参数、修改名称之后，在界面上就会显示这个已经配置好的节点。然后利用个人PC机作为网络服务器使用，存储所用的数据库使用SQL Server【4】 ，当返回数据时，设定时间间隔，如每隔五分钟将一个数据存入建好数据库的表中。不同传感器所采集的数据放入不同的表中存储。

利用HTML语言进行网站开发，由登陆界面和功能界面组成，普通用户登录后，只能查看大棚内农作物的基本信息和生长状态。管理员登录后，可以查看数据库中所有信息，并通过操作界面直接控制遮阳帘、雾化器、换气扇的开关，以便及时调节室内环境。

4系统整体测试

为了检测各种传感器在实际应用中性能要求是否达标，我们在整套系统运行的同时，还在棚内放置传统的温湿度计，光强计进行对照测试，测试误差小于1%，能够用于高精度的环境监测。对于网络远程操作的可行性，我们进行了测试，用户模式下，能够对大棚内的各项环境参数进行实时反馈。在管理员模式下，能够远程操控大棚内装置时延迟在可控范围内。对于大棚管理者，当我们做了为期两个月的性能测试后，能够查看各个时期的环境参数，以统计图方式呈现，与种植物最佳生长环境比对后，能得到管理者应该改进环境参量的反馈。

5 结论

我们所完成的基于云平台的智能大棚功能多样，操作便捷，智能化程度高，能够大量降低人工成本，且能够提高农产品质量。可以完全替代目前主流智能大棚产品。云平台的管理模式不仅能让管理者更加轻松，同时在客户的监督下生长的农作物，也让他们更放心，这种生产消费模式更能在物联网时代所接纳。同时经过测试，系统中仍然有不足需要改进，在实际应用中，Wi-Fi的使用减少了布线的错综复杂，但Wi-Fi信号却有很大的局限性，比如传输距离与空间阻隔，这将会系统整体的正常运作造成很大的影响。

总的来说，我们相对圆满地完成了项目最初确立的目标功能，物联网时代的来临将对传统产业带来很大的冲击，农业大棚的智能化云端管理将更能适应当今时代，物联网技术所推动的变革浪潮将使人们的生活更便捷。

参考文献：

[1] 程杰， 黄鸿.传感器与检测技术[M].高等教育出版社，2001.

[2]孙润. 基于Wi-Fi智能家居的网关设计[D].西安工业大学，2015.

[3]沈允钢. 绿色植物产业是二氧化碳最大规模的资源化利用途径[A]. 中华环保联合会能源环境专业委员会.二氧化碳减排控制技术与资源化利用研讨会论文集[C].中华环保联合会能源环境专业委员会，2009：3.

[4]王爽.基于SQL数据库的性能优化探究[J].计算机光盘软件与应用，2013，16（13）：294-295.

基金项目：西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201710742065）