朱婧玮

（兰州现代职业学院，甘肃 兰州 730300）

0 引言

2020年，农业农村部、中央网信办印发的《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》提出，到2025年，数字农业农村建设取得重要进展，有力支撑数字乡村战略实施[1]。同年，中央一号文件《中共中央 国务院关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》发布，聚焦“三农”工作[2]。“十四五”规划指出，中国现代化离不开农业现代化。随着我国农业科技化水平的不断提高，农村改革力度持续加大，农业现代化加快推进。

目前，我国乡村种植行业普遍存在信息化程度低、农业生产的硬件设施比较落后等问题，农户对于作物种植环境控制不精准，对作物浇水、施肥、收获等种植方式大多靠传统经验，数据采集不够精确，也没有精准的作物管理方案。此外，对突发的极端天气、气象灾害无法及时获取信息，应对速度慢，给农户带来了严重的经济损失。由于没有达到精准管控，作物的病虫害发病率高，防治困难。

近年来，温室大棚种植已在我国农业生产中广泛使用，其克服了不同地理环境对农作物生长的影响。但目前大多温室大棚的管理仍采用人工管理，存在耗费人力、管控不精准、风险无法预估等问题[3-4]。针对上述问题，笔者设计了一种适用于农业温室大棚种植的智能化精准管理系统，实现了对农业温室大棚的智能管控。

1 系统总体设计

该系统集移动互联网、云计算、物联网等技术于一体，依托农业生产现场的各种传感节点和无线通信网络进行环境数据采集、传输，采用ARM嵌入式系统对采集到的环境参数进行精准计算和处理，实现农业生产环境的智能感知、分析、预警、决策、调控。系统支持手机端和Web端用户操作界面，系统每10 min更新采集棚内环境及棚外天气变化参数，并将测试数据实时传递给农户，农户可以方便地通过手机App和Web页面查看大棚实时环境数据和历史环境数据。农户也可在手机端和Web端对大棚现场通风、卷帘、补光等设备进行一键远程控制，操作简便。当出现极端天气或大棚环境出现异常状况时，系统可向用户界面发送文字预警提示，减少灾害带来的风险。该系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构图

2 系统硬件设计

该系统采用STM32F103C8T6芯片作为系统主控芯片，使用交流220 V供电，内置开关电源，为传感器、控制电路、显示模块、通信模块等供电。测量电路通过温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器等采集温室大棚内空气温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光照强度等数据，经过A/D转换后送入STM32芯片进行数据处理和计算，处理后的数据通过显示模块显示，并通过GPRS通信方式使用MQTT协议与服务器进行数据通信，服务器通过上位机数据接收程序，实现数据本地化存储。

2.1 采集模块设计

采集模块主要包括对温室大棚环境温湿度、土壤温湿度、CO2浓度、光照强度的测试。空气温湿度采集传感器选用AM2302，采用电容式湿敏元件、标准数字单总线输出，采用高精度NTC。土壤温湿度采集选用建大仁科土壤墒情监测专用传感器，电导率监测数据可通过RS485转USB模板上传到上位机软件，实现实时监控。光照强度数据采集采用磁吸式光照传感器，亮度变送器通过RS485通信，串行Modbus-RTU，四线结构，电源线（红）、信号地（黑）、RS485-A（黄）、RS485-B（绿）通信信号。CO2数据采集选用M702A-485检测模块，用RS485总线通信，采用485通信协议，使用问答方式传输监测数据，四线结构，电源5 V，电源地，N/A悬空，TXD数据输出。

2.2 主控模块设计

该系统采用嵌入式实时操作系统（RTOS），主控芯片采用STM32F103C8T6，可以合理、有效地利用CPU的资源，简化应用软件的设计，缩短系统开发时间，更好地保证系统的实时性和可靠性[5-6]。选用FreeRTOS迷你实时操作系统内核，功能包括任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等。温室智能控制机主控模块内部电路示意图如图2所示。

图2 主控模块内部电路示意图

2.3 输出模块设计

该系统输出外设包括卷帘电机、通风电机、补光灯、喷淋设备等，分别设置卷帘开、卷帘关、卷帘停等功能。同时，系统还安装了卷帘上、下限位器，保障卷帘在开启和关闭过程中，当卷帘到达上、下极限位置时，机械停止。大棚内设计两台通风电机，分别设置通风电机启动、停止控制。补光设备由主控芯片发出控制信号，控制启停。

3 系统软件设计

该系统软件整体设计采用C语言，在Keil5.0开发环境下进行设计，根据模块化、接口化的原则，按照软件功能对复杂的软件代码分模块进行编写[7]。系统将传感器采集到的数据，经过A/D转换送入系统控制芯片，用STM32芯片对数据进行处理、计算，再通过液晶屏显示，同时使用有线网络及GPRS无线通信将数据发送到上位机。系统主程序流程图如图3所示。

图3 系统主程序流程图

4 系统上位机开发

4.1 开发环境

该系统上位机通过“Springboot+Vue”进行开发实现，主要针对农业温室智能设备的远程控制、数据查询、数据统计分析、设备管理、预警信息查看及设备运行情况监控等进行研发，以实现温室大棚卷帘机、通风机的智能化控制、历史数据查看、农事记录以及考勤管理等功能[8]，该系统支持PC端和手机端（Android）匹配使用。

Web端使用vue、layui、jquery、echarts等前端页面框架，使用vscode开发工具进行前端开发；服务端使用Spingboot+Mybatis-Plus开发数据接口及数据持久化层，数据库使用SQL Server 2012；移动端使用原生Java进行应用App的开发，页面布局中使用SVG点九图的方式以更好地适配各种机型，手机端集成MQTTSDK实现对智能设备的远程控制，集成萤石云SDK实现监控画面的接入，手机端数据接口使用.Net平台C#语言进行开发。

4.2 技术架构

该系统运用物联网技术，通过互联网实现温室大棚卷帘及通风等装置的自动化控制，利用网络和数据库对温室环境小气候的数据进行采集和存储，便于农业从业人员查看历史数据并制定温室大棚种植精准管控方案。系统技术架构图如图4所示。

图4 系统技术架构图

4.3 运行环境

该系统支持用户手机移动端Android 6.0及以上版本操作，Web端须安装有Windows 7及以上版本的操作系统，且安装有浏览器。

4.4 手机端应用

手机App中有点击进入设备，设备详情界面包含温室大棚六要素的实时数据，可以随时查看。数据库管理服务以SQL Server 2012为载体，并存储GPRS无线通信模块上传的大棚环境数据和图像数据。为了方便查阅和调用，在数据库中创建多个表，以保证数据库运行流畅。对查询效率进行优化处理，在采集数据表Data中建立索引，并定期将数据以二进制封存，减少数据库压力，提高查询速度。手机端可对大棚卷帘、通风设备进行远程控制，对设备的温室名称、设备自动控制、预警界限等进行配置；可以查询设备历史操作记录，查看设备运行情况；可通过温室中安装的网络摄像头，看到温室环境监控画面，农户可直观地看到远程操作卷帘和通风设备的情况以及温室作物的生长情况，做到足不出户的智能化管理。

4.5 Web端应用

该系统的Web端温室管理平台可对多个大棚同时进行管理，可查询温室内的实时数据、历史数据和操作记录等。监控系统的界面设计体现交互性、友好性和灵活性，系统的主界面可查询大棚内的终端节点采集的所有数据和图像。环境调控设备按钮，可手动开启或关闭当前大棚的外部设备。该系统设计了用户管理功能，用户注册后可以使用，管理人员可为用户设置一定的权限，防止数据被盗窃、篡改等安全问题出现，系统节点管理功能也支持单独查看某一个节点的实时数据和历史数据。系统提供以曲线的方式查看数据，大数据展示模块每隔10 min刷新一次数据，可以直观地在一个页面中看到温室环境数据，棚内外的实时监控情况等。

该系统设计了大棚环境数据超限预警功能和气象预警功能。当温室大棚的温度、湿度等环境参数超过环境预设值时，系统将在手机App端和Web页面以弹窗的方式做出预警提示，同时对卷帘机、通风设备、加热设备等进行自动控制，帮助农户及时发现大棚环境变化，科学精准管理大棚环境。当天气突发异常时，系统通过嵌入的气象预报功能，及时向农户做出气象预警，帮助农户及时发现异常，对大棚进行保护性操作管理。

5 结论

本系统以STM32嵌入式芯片为核心设计终端节点和硬件电路，终端节点电路主要包括STM32F103最小系统、传感器电路、电源电路、RS485通信电路、继电器执行电路等，通过软件程序实现了对大棚环境的分布式精准控制。同时，系统还引入了移动互联网技术以及GPRS无线通信技术，通过上位机实现了对棚内环境的智能远程监控。

系统将农业与物联网技术结合，构建了“互联网+智慧设施”的农业大棚，其具备如下优点：1）农户可根据农作物不同种植时期对环境的要求去设定大棚温湿度，分段控温、控湿，精确控制棚内环境，使作物不受外界环境影响，增加作物产量。2）自动卷帘温度控制技术和自动放风温控技术可减少卷放帘时间，自动调控大棚温湿度，增加大棚光照时间，提高出苗量，减少病虫害的发生，节约用药量。3）天气预警提醒功能可以及时预防恶劣天气，降低生产风险。4）主控制箱可以实现多个大棚集中控制，包括温度、放风、卷帘、灌溉、补光等，节约了人力，提高了工作效率，并切实改善了农村劳动力缺乏的现状。

总之，基于嵌入式系统的智能农业温室大棚管控系统可调控温室农作物生长环境，减少种植的人力成本，降低生产风险，尤其能够提高温室种植大户及育苗大户的人力资源管理水平，推进实施乡村振兴战略，助力农业农村现代化[9-10]。坚持因地制宜，遵循农业现代化发展规律，分步骤推进农业农村现代化进程，深入开展乡村振兴科技支撑，为我国农业现代化可持续发展提供一定的参考和经验。