一种低功耗物联网智慧大棚控制系统*

  作者:胡俊杰,徐茵*,王新怀,彭烨,周博,段清原(西安电子科技大学,西安 710126) 时间:2023-05-01来源:电子产品世界

编者按:本文设计并实现了一种以STM32L010为核心,基于物联网,MQTT协议和APP的低功耗智慧大棚控制系统。该系统采用分布式节点,使用锂电池供电,将大棚的环境信息上传至云端服务器,显示在大屏终端上;并实现手机端APP对大棚作物的观察以及对喷水、卷帘设备的远程控制。此外,提出了自动化远程升级功能,提升设备维护的便利性。

*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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。image.png

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。

参考文献:

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(注:本文源自必威娱乐平台 杂志2023年4月期)

关键词: 202304 低功耗 物联网 智慧大棚 远程升级

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