一种低功耗物联网智慧大棚控制系统*

*本项目在2021年中国研究生电子设计竞赛获省级一等奖，受中央高校科研业务费项目支持（QTZX22093、RW200144）

与世界上农业发达的国家相比，中国的农业科技水平较低，导致在农业人口比例极大的情况下，农业产值不高。作为一个以农业发展为主的国家，传统农业主要依靠大量的人力、手工工具和一些简单的机械设备，农民基本凭经验种植，导致用于农业生产所消耗的水资源、农药、化肥等都在飞速增长，但农业产量依然较低。本系统将物联网和农业相结合，针对温室大棚作物的生长过程，实现各类环境参数的实时监测和相关生产流程的智能控制，进而实现农产品的增收。

1 系统设计

1.1 系统组成部分

本系统整体可分为4 部分：①是以STM32L010 芯片为核心的主控系统；②包括温湿度传感器HDC1080、光照传感器OPT3001、监控摄像头等监测设备和继电器、电磁阀等控制设备；③是基于物联网的数据传输系统。④是数据分析系统，包括手机APP、大屏终端和服务器。整体系统框架如图1 所示。

图1 系统框架图

1.2 系统工作过程

采集节点每 5 min 唤醒 1 次，读取传感器数据。若数据正常则将数据存储在 flash 中，让节点掉电，进入低功耗模式并等待定时唤醒；若数据超过报警上下限则将 flash 中数据通过窄带物联网上传至云端服务器。服务器通过 MQTT 协议广播数据，用户在手机 APP 或者大屏终端上获取大棚环境参数，数据异常时会自动下发控制命令。控制节点收到后控制水阀和风机的运作，实现大棚环境参数的调整，提高农作物产量。

2 系统功能实现

2.1 硬件部分

2.1.1 采集节点

MCU 采用 STM32L010K8T6，待机模式下电流 0.23 uA, 内部集成模数转换器（ADC）、通用定时器（GPTIM）等外设。

定时器模块采用时基芯片 TPL5110DDC+ 模拟开关 TS5A3160DBV。通过外围电阻选择定时时间为 5 min，若 MCU 采集的传感器数据正常，则写入 flash 并发送高电平控制模拟开关关断电源。若 MCU 采集的传感器数据异常，则将数据上传到云端服务器，当收到掉电命令后，再控制模拟开关关断电源。

2.1.2 温湿度传感器

本文采用低功耗的数字温湿度传感器 HDC1080，该传感器通过 I²C 总线与 MCU 进行数据传输，能以超低功耗提供出色的测量精度。依照芯片对应的通信时序图，编写了基于 I²C 通信协议的使用程序。

图2 I²C通信时序图

2.1.3 物联网模块

采用中移的物联网模块 M5311，与 MCU 之间通过串口传输数据。由于 M5311 串口的高电平为 1.8 V，MCU 串口的高电平为 3.3 V，设计了电平转换电路。M5311 通过窄带物联网登录 OneNet 云平台后，会将 MCU 的数据通过 MQTT 协议透传到云平台上。

2.1.4 控制节点

通过 220 V 市电转换为 5 V，然后稳压到 3.3 V 给 节点供电。控制节点上电初始化后连接 OneNet 云平台，每 10 s 上报一条报文作为心跳帧，保持与云平台的连接。若收到控制命令，则通过继电器和电磁阀控制水阀和风机的运转，调整大棚的环境参数。

2.2 软件部分

2.2.1 手机APP

手机 APP 通过 Android Studio 平台使用 JAVA 语言进行编程，APP 采用两级大棚分区策略，操作管理更加方便。主界面是整个棚区的卫星地图，进入每个大棚后，显示了环境参数的实时数据和历史数据曲线。此外，还添加控制命令和摄像头功能，可以实时看到作物的生长状况，如图 3 所示。

图3 手机APP界面

2.2.2 大屏终端

大屏终端界面包括实时数据显示、历史曲线变化、报警信息、在线设备统计和控制状态显示等功能，如图4 所示。若收到的数据超过报警上下限，则在报警信息处显示节点号、时间和异常值，便于用户及时了解并做出响应。

图4 大屏终端界面

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通过 Keil 平台使用 C 语言进行编程，主要包括系统初始化、采集传感器数据、上传至 OneNet 云平台、接收升级文件等。工作流程如图 5 所示。

图5 MCU工作流程

2.2.4 远程升级

工业 4.0 时代，随着物联网技术的不断成熟，信息技术是促进产业变革的重要因素。嵌入式设备高度集成，功率较小，功能可裁剪，通信功能强大，便于与其它设备结合，因此在新型农业设备上应用极广。传统使用烧录器对嵌入式设备进行现场下载 程序的方式已远不能满足软件升级对高频次，便携性，稳定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重点放到终端设备本身，这给嵌入式设备本身增加了不稳定性，使其更繁冗，同时增加了生产成本。

采集节点在实际使用时，一般安装在较为偏远的温室大棚中。考虑到现场升级不太方便，本项目实现了采集节点的 IAP 远程升级功能，利用 NB 网络传输升级文件，大大降低了设备的维护难度，提升了便利性，如图 6 所示。

图6 远程升级框架

本文在 python 端实现了远程升级的自动化。远程升级开始后，由 python 端自动下发升级报文，农业采集节点校验成功后，写入 flash，并上报下一条升级包的序号，python 端自动下发下一条升级报文。待所有升级报文下发完成后，农业采集节点跳转到新的程序开始 行。流程图如图 7 所示。

图7 远程升级流程图

3 结束语

本文设计并实现了一种基于物联网的低功耗智慧大棚控制系统，硬件和软件经测试均可正常运行，配合 3 000 mAh 可充电锂电池能使用 90 d。本系统能检测农业大棚环境并自动做出调节，使作物一直处于合适的生长环境，增加作物的产量。

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(注：本文源自《电子产品世界》杂志2023年4月期)