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                        一種嵌入式溫室智能控制系統的研究和設計

                        添加時間:2020/07/27 來源:安徽大學 作者:王 惠
                        本設計提出了一種嵌入式溫室智能控制系統。該系統主要是由微控制器模塊、數據采集模塊、無線通信模塊和上位機管理平臺模塊組成。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          進入21世紀后,隨著信息技術和傳感器技術的不斷發展,物聯網技術應用而生。農業物聯網技術是物聯網技術在農業生產領域的一個重要應用范疇,農業物聯網技術已然成為了世界各國關注的焦點。在國內,農業物聯網技術也得到了國家政策的支持,被提升到了國家戰略發展層面,農業物聯網因此開啟現代化農業發展之路。在了解國內外物聯網發展現狀以及未來發展趨勢的基礎上。

                          本設計提出了一種嵌入式溫室智能控制系統。該系統主要是由微控制器模塊、數據采集模塊、無線通信模塊和上位機管理平臺模塊組成。同時,無線傳輸技術相比較于有線傳輸具有高速、便捷、成本低的獨特優勢,有效避免了現場繁瑣的布線,本文所做的主要貢獻體現以下幾點:

                         。1)根據溫室環境特點,對系統的功能需求進行了整體設計,對物聯網技術的三層體系結構進行分析和相關理論知識學習后,設計出系統的硬件整體架構,采用分模塊化思想,將環境參數采集、無線傳輸、控制執行設備等模塊進行分模塊化設計。采用NB-IoT技術搭建遠距離無線傳輸路徑,以強連接、高覆蓋的特點提高數據與指令在傳輸過程中的可靠性,相比較于傳統的有線技術,其成本更低。

                         。2)基于keiluVision5.0系統開發環境,移植FreeRTOS嵌入式操作系統,采用C語言開發終端控制軟件,嵌入式軟件整體功能需求是將系統軟件架構各個模塊關聯圖設計出來,并根據關聯圖設計對應模塊的程序,最后完成各個模塊間的對接,實現其功能。終端管理平臺使用中國電信物聯網測試平臺,采用JSON語言對Profile進行部署,并在線部署編解碼插件開發,搭建完整一套物聯網云平臺系統,實現環境參數數據存儲、查詢、控制等功能。

                         。3)軟硬件系統設計完成之后,分別對每個模塊的功能進行軟件和硬件的調試,調試成功后,臨時搭建模擬溫室環境,進行實驗,空氣溫濕度傳感器測量誤差范圍在±0.3℃,±3%RH,土壤溫濕度傳感器測量誤差范圍在±0.5℃,±3%RH,通過實驗,獲取測量結果與標準的傳感器測量結果進行分析對比,本系統采集的值在各傳感器誤差允許范圍內,物聯網云平臺后臺數據成功運行,本設計的系統通過測試,其功能指標基本實現。

                          關鍵詞:嵌入式,NB-IoT,智能控制,傳感器

                        嵌入式溫室智能控制系統

                        Abstract

                          After entering the 21st century, with the continuous development of information technology and sensor technology, the application of the internet of things is born.agricultural Internet of things technology is an important application category of Internet of things technology in the field of agricultural production.In China, the agricultural Internet of things is also supported by national policies and promoted to the level of national strategic development. Therefore, the agricultural internet of things open the road of modern agricultural development.

                          On the basis of understanding the current situation and future development trend of Internet of things at home and abroad.the design and realization of intelligent greenhouse control system based on agricultural tnternet of things technology and remote computer technology.the system is mainly composed of microcontroller module, data acquisition module, wireless communication module and upper computer management platform module.at the same time, compared with wired transmission, wireless transmission technology has the unique advantages of high speed, convenience and low cost, which effectively avoids the tedious wiring on site. The main contributions of this paper are as follows:

                         。1) According to the characteristics of greenhouse environment, demand has carried on the overall design, the function of the system of Internet of things technology three layer architecture is analyzed and the related theoretical knowledge learning, to the overall architecture design of system hardware, adopting modular thought, the environment parameter acquisition module, wireless transmission and control execution equipment, such as modular design. Nb-iot technology is adopted to build the long-distance wireless transmission path, which improves the reliability of data and instructions in the transmission process with the characteristics of strong connection and high coverage. compared with traditional technologies, the cost is lower.

                         。2) Based on the keil uVision5.0 system development environment, transplant FreeRTOS embedded operating system, using C language development of terminal control software, embedded software overall functional requirements is the system software architecture modules associated design drawing, and according to the associated graph design corresponding module program, finally complete the docking between the various modules, to achieve its function.The terminal management platform uses the test platform of China telecom Internet of things, profile related services are deployed in JSON language, and develops online codec plug-ins to build a complete set of cloud platform system of Internet of things, Environment parameter data storage, query, control and other functions.

                         。3) Software and hardware system design is completed,The function of each module is debugged by software and hardware respectively, debugging success, a makeshift to simulate the greenhouse environment, carries on the experiment, air temperature and humidity measurement error range within ±0.3 ℃, ± 3% RH, soil temperature and humidity measurement error range within ± 0.5 ℃, ±3% RH, through the experiment, the measurement results and the standard for sensor measurement results are analyzed, the system acquisition value within the permitted error in each of the sensor, the Internet of things cloud platform background data run successfully, the design of the system through test, the basic implementation function index.

                          Key words: Embedded, NB-IoT, Intelligent controlg, Sensor

                        目錄

                          第一章 緒論

                          1.1 研究背景與意義

                          1.1.1 研究背景

                          以人為主的現有生產模式與勞動力持續減少,人均農業資源匱乏與農業資源利用率 低,新農民年輕化與勞動力老齡化是阻礙我國實現現代化農業發展的主要矛盾。依賴于 智能化設備實現農業精準化、自動化和智能化的生產,提高農業生產率、資源利用率和 土地產出率是解決以上矛盾的重要途徑。2018 年國務院印發了《中共中央關于實施鄉村 建設振興戰略的意見》,該文件指出優化農業從業者結構,建設知識型、技能型、創新 型農業經營者隊伍是加快鄉村建設發展的重中之重。

                          2018 年科技部、農業部、水利部、 國家林業局、中國科學院和中國農業銀行共同制定了《國家農業科技園區發展規劃》, 該文件指出到 2025 年,把園區建設成農業科技成果培育與轉移轉化的創新高地,農業 高新技術產業及其服務業聚集的核心載體,農村大眾創業、萬眾創新的重要陣地,城鎮 村融合發展與農村綜合改革的示范典型。2019 年中央一號文件《中共中央國務院關于堅 持農業農村優先發展做好"三農"工作的若干意見》中提出強化創新驅動發展,實施農 業關鍵核心技術攻關行動,培育一批農業戰略科技創新力量,加快推動生物種業、重型 農機、智慧農業、綠色投入等領域的自主創新;深入推進'互聯網+農業',擴大農業 物聯網示范應用。推進重要農產品的全產業鏈大數據建設,加強國家數字農業農村系統 建設。目前,克服制約我國農業發展的瓶頸問題。

                         。1)農業物聯網應用的發展重點改革 各地農業小規,F狀,未能全面開展農業物聯網示范;(2)農業信息感知技術重點發 展高靈敏度、高適應性、高可靠性傳感器,完善制造工藝;(3)農業信息傳輸技術重 點是發展無線傳感網絡在精細化農業中的應用;(4)農業智能信息處理技術重點發展 大數據技術、人工智能技術在農業物聯網的具體實現。 物聯網技術是世界信息產業繼計算機與互聯網之后又一次飛躍,為農業現代化發展 提供了前所未有的機遇,由于標準體系不夠完善、第四版本網絡協議(IPv4)地址不足、 開發成本和能耗偏高、各類物聯網產品不兼容、網絡傳輸性能和信息安全等問題,因此 物聯網在農業中的實踐應用還面臨著更多的挑戰。但是隨著物聯網產業標準化不斷完 善,世界各國對農業物聯網的標準、關鍵技術和應用研究以及不斷相互學習借鑒,農業 物聯網技術將會取得實質性的突破,應用規模不斷擴大,為加快信息化與農業現代化融合,促進農業發展具有重要的意義。

                          1.1.2 研究意義

                          2017 至 2019 年期間,國務院印發的相關文件都明確指出了智慧農業發展的重要性, 而農業物聯網技術也是衡量一個國家綜合科技實力與農業發展水平的重要標志。溫室大 棚作為智慧農業的重要分支,對促進現代化農業發展具有重要的意義,利用傳感器技術、 信息傳輸技術、控制技術和計算機技術,適當調節溫室大棚內的溫濕度、光照強度以及 二氧化碳濃度等這些影響作物生長因素來實現農產品的優質高產,同時為反季節的農作 物提供適宜生長環境,使農產品不受周圍的環境變化和整體氣候變化的影響,可以提供 市場上的反季節農產品的需求。同時還能幫助農戶或專業管理科學種植,提高產品的綜 合效益,相比較使用傳統的方式,即使人工工作量翻倍也達不到預期的效果。 本文利用農業物聯相關技術,實現收集溫室內環境參數信息,例如空氣的溫濕度、 光照強度等,同時也可以采集土壤的環境參數信息,例如土壤的溫度、土壤的水分、土 壤的鹽堿度等,使得農戶或者管理者實時監控農作物生長過程中各種信息,提高農產品 產量、質量,提高產品的綜合效益,實現農業生產的標準化、數字化、網絡化。

                          1.2 國內外研究現狀與發展

                          1.2.1 研究現狀

                          近年來,農業物聯網技術應用研究越來越深入,各國之間不斷的進行交流學習,農 業物聯網感知技術和農業物聯網信息化技術取得了進一步發展。 在農業物聯網感知技術中。Hwang 等設計一種農田生產環境信息監測系統,利用無 線傳感器網絡(WSN)技術、GPS 定位技術,將環境和土壤傳感器采集到的信息通過 WSN 傳輸到服務器中心數據庫,通過算法處理數據,運用決策分析,將農田生產環境 信息的分析結果提供給生產者或者管理者,有效的提高農業生產管理水平[6];Hibi 等人 開發了一套可實時監測魚類乳酸濃度的系統,利用生物傳感器與無線傳感器網絡,實現 了對魚類乳酸水平快速便捷的連續監測[7].在農業物聯網信息化技術中,Bishop 等多次 對耕牛自動放牧進行實際測試,不斷深入研究,結合無線傳感網絡設計并實現了一種虛 擬的柵欄系統[8]. 在國內農業物聯網感知技術中,黎貞發等開發了一套日光溫室小氣候與生態環境監 測網絡、數據實時采集、無線傳輸、低溫災害監測、預警發布和遠程加溫控制于一體的方法,該方法提高了設施農業園區的管理效率、管理水平以及低溫災害能力[9].

                          為了滿 足水產養殖集約高產、高效、生態和安全發展需求,中國農業大學李道亮教授的科研團 隊研發水產養殖實時監控與管理系統,實現了溫度、溶解氧等環境參數的實時監控[10]. 在農業物聯網信息化技術中,胡敏等結合 EPC 編碼,RFID 電子標簽作為數據載體對豬肉 進行唯一的標識,在物聯網的架構下,構建 RFID/EPC 豬肉追蹤系統,實現豬肉供應鏈 各環節溯源信息數據自動采集和豬肉生產全程的網絡化管理[11];余國雄等在物聯網的技 術基礎上研發了荔枝園的信息獲取與智能灌溉專家系統,實現計算作物需水量、預報灌 溉時間、灌溉最佳定量決策、根據灌溉制度決策等功能,將決策的結果反饋給控制終端, 實現荔枝園環境實時遠程監控和精細化管理[12].

                          1.2.2 發展趨勢

                          物聯網技術在農業生產領域的應用作為一種可持續發展、高效節能的農業技術,會 隨著科學技術不斷發展而發展,農業物聯網未來的趨勢有如下幾點:

                         。1) 信息化 隨著信息技術不斷普及,計算機技術快速發展,全新的技術條件使得對海量數據的 整合、聚類、回歸等變得可行。農業大數據技術是挖掘農業生產、加工、銷售、資源環 境、過程等全產業鏈價值信息的有效工具,基于農業大數據技術,深入分析農業數據, 是智能信息化處理的一個重點發展方向。

                         。2) 網絡化 無線傳感網絡技術主要包括 Zigbee、WiFi、3G/4G、LPWAN,隨著 5G 技術不斷成 熟普及,為農業物聯網進一步升級農業數據傳輸效率帶來了動力,在未來的農業生產中, 農作物的各個生長階段的趨勢以及病蟲害情況通過無線網絡將農業生產各種信息快速 穩定的傳輸至云平臺,通過云平臺監控不同地區不同的作物生長趨勢以及病蟲害檢測, 使整個農業生產處在在一個穩定的網絡環境中。

                         。3) 智能化 隨著大數據技術的成熟、海量基礎數據技術的不斷積累,深度學習、機器學習研究 成果與研究方向對農業人工智能技術的發展具有重要的意義,通過機器學習、模式識別 技術研究變量間的復雜性,從根本上提高農業人工智能的復雜系統在不同地區的兼容 性、準確性,因此,物聯網技術在農業上的應用將會朝著更加智能化方向發展。

                          1.3 研究內容及組織架構

                          針對我國目前的溫室大棚環境調控和管理過程中存在的問題,本文的研究目標是以 農業物聯網技術為手段,集傳感器技術、移動互聯網技術、無線通信技術、機電控制等 技術為一體,實現全面感知溫室環境的參數信息,并能夠實現采集信息的可靠傳輸。本 文設計的嵌入式溫室環境智能控制系統可以實現環境參數的監測,通過上位機監控管理 平臺中心獲得環境參數信息,從而能夠實時獲取大棚中農作物的生長環境信息,提高農 產品的產量和質量。對有線采集的傳感器網絡采集的數據進行融合處理,將處理后的信 息通過 NB-IoT 無線模塊傳輸至物聯網平臺。

                          本文的章節安排如下: 第 1 章:緒論。介紹了課題的研究目的與意義,國內外對物聯網技術在農業領域內 的研究現狀以及農業未來的發展趨勢進行相關理論概述。

                          第 2 章:系統的總體方案設計。首先對溫室環境內部主要影響參數進行了分析,通 過對農業物聯網技術知識的調研和學習,根據系統設計指標、系統設計思想提出了系統 整體設計方案。

                          第 3 章:硬件總體設計介紹。根據第二章節的系統設計指標及思想,提出了系統硬 件設計方案,對硬件器件進行選型,最后,對 NB-IoT 模塊、RS485 模塊以及一些主要 模塊進行了硬件電路設計。

                          第 4 章:系統軟件的設計,主要介紹了嵌入式開發環境和系統軟件設計。嵌入式操 作系統選型和移植、NB-IoT 通信模塊軟件、通信協議和各類傳感器采集模塊設計分別 進行了詳細的說明,最后,對物聯網云平臺搭建進行詳細概述。

                          第 5 章:系統的調試及功能測試。焊接電路板,對系統整個硬件以及 NB-IoT 連接 進行調試,對物聯網云平臺數據接收、儲存、顯示等功能進行測試,將平臺上顯示數據 進行整理和分析。

                          第 6 章:總結和展望。對本論文所做的工作進行總結,根據目前的一些不足情況, 提出了改進的功能。



                          第二章系統總體設計方案
                          21環境參數分析
                          2.2系統關鍵技術_.
                          2.3系統設計目標和思想
                          2.3.1系統設計目標
                          2.3.2系統設計思想
                          2.4 系統總體結構設計
                          2.5本章小結

                          第三章系統的硬件設計
                          3.1 系統硬件總體設計
                          3.2系統硬件設備選型
                          3.2.1微控制器選型
                          3.2.2空氣溫濕度傳感器
                          3.2.3土壤溫濕度傳感器
                          3.2.4光照強度傳感器
                          3.2.5圈IoT無線通信模塊

                          3.3硬件電路設計
                          3.3.1主控制板電路設計
                          3.3.2串口通信
                          3.3.3無線通信模塊
                          3.3.4電源模塊設計
                          3.3.5控制模塊設計
                          3.4 PCB板的抗干擾設計
                          3.5本章小結

                          第四章系統的軟件設計
                          4.1系統軟件開發環境及總體設計
                          4.1.1系統軟件開發環境
                          4.1.2系統軟件總體設計
                          4.2嵌入式實時操作系統選型及移植
                          4.2.1嵌入式實時操作系統選型
                          4.2.2嵌入式實時操作移植

                          4.3 NBIoT通訊軟件設計
                          4.3.1圈IoT 的的多數配置和工作流程
                          4.3.2 NB1oT 通訊程序設計
                          4.3.3通訊協議設計
                          4.4傳感器采集模塊軟件設計
                          4.4.1空氣溫濕度軟件設計
                          4.4.2土壤溫濕度軟件設計
                          4.4.3光照強度軟件設計

                          4.4.4控制軟件設計
                          4.5物聯網云平臺的部署
                          4.5.1 Profile 的郵署
                          4.5.2編解碼插件部署
                          4.6本章小結

                          第五章系統調試及功能測
                          5.1系統調__.
                          5.2物聯網云平臺功能測試
                          5.3實驗結果與分析
                          5.4本章小結

                          第六章 總結和展望

                          6.1 總結

                          本系統的核心硬件控制采用的是 STM32 單片機,結合不同類型的環境參數測量傳 感器,再使用 NB-IoT 作為無線傳輸模塊,將采集到的傳感器數據上傳到云端網絡,搭 建物聯網云平臺,實現海量數據連接存儲,利用物聯網云平臺實現對溫室遠程調控和監 管的目的。在系統的設計和實現過程中,本課題完成以下幾點內容:

                         。1) 本課題完成了對現代物聯網技術在農業領域研究現狀和發展趨勢的調研,結合物聯 網技術、NB-IoT 技術,提出了一種基于嵌入式溫室智能控制系統設計與實現。

                         。2) 對電子元器件進行選型,確定系統的硬件總體設計框架,完成電路原理圖的設計以 及 PCB 板的布線,采用模塊分層化設計理念,構建成整個溫室系統的控制系統。

                         。3) 研究 ARM 單片機如何使用搭建,為 STM32F103 后續嵌入式開發早做準備,并為控 制板卡加入了基于 FreeRTOS 操作系統開發軟件框架、配置底層驅動、規劃任務和 數據協議幀結構,設計系統的數據采集模塊、控制模塊和 NB-IoT 通訊模塊程序工 作流程圖,然后對各個模塊進行代碼設計。

                         。4) 根據系統自定義的通訊協議,搭建物聯網云平臺,分別對平臺 Profile、編解碼插件 進行詳細的部署,完成終端與云平臺之間的通訊功能,經測試,系統能通過終端訪 問云平臺的 web 網頁實現對數據的監控和遠程控制功能。

                         。5) 焊接電路板,對電路的各個模塊進行調試,搭建系統對室內進行試驗,對試驗的數 據進行分析,經測試與結果分析,本設計系統能夠滿足課題的要求。

                          6.2 創新點

                          本文的創新點有: (1) 移植嵌入式操作系統,提高了系統的效率、穩定性;兼容性強,可將軟件程序移植 同類型單片機。 (2) NB-IoT 技術是第五代通信(5G)技術一個重要的分支,本設計中無線通訊模塊使用 具有 NB-IoT 技術,其具有覆蓋廣、連接多、成本低、功耗少、架構優等特點。

                          6.3 展望

                          本文在某些領域做了一定的工作,按照設計目標完成了基本的功能,但由于個人知 識能力以及系統設計時間有限,轉換為實際產品需要很多努力,需要在今后的學習中不 斷提高自身能力去完善系統,這里提出一些今后需要完善系統的一些建議:

                         。1) 本文監控管理平臺使用的物聯網云平臺,功能較為簡單,難以完成大數據分析和人 工智能化處理,可考慮使用功能更加強大的云平臺或者根據需要自主研發。

                         。2) 本文選擇的傳感器精度要求只適用于溫室大棚環境測量,使用更高精度的傳感器, 使系統適用的應用場合范圍可以增加一些。本設計使用的無線傳輸模塊 NB-IoT 不 具有傳輸文件功能,可以考慮其他具有傳輸文件、引腳兼容 NB-IoT 無線傳輸模塊, 可實現在線升級,避免人工現場升級系統。

                         。3) 影響溫室環境參數是多因子,本文只在空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度等參數 上做了研究,二氧化碳也是溫室環境重要的一個參數,這一塊可以在后期選擇合適 的傳感器,增加測試內容。

                         。4) 增加用戶手機實時接收傳感器檢測到溫室環境參數的信息。

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                        致謝

                          轉眼間,三年的碩士研究生生活已經接近尾聲,雖然在安大的學習生活時間并不是 很長,但是這里的每一個人,每一處風景都給我留下了深刻的印象。這篇論文,為我的 碩士研究生學習畫上了一個圓滿的句號,希望也是一個新的起點。此刻,在即將離開學 校、踏上工作崗位的時刻,我唯愿將滿懷激動化作感激,獻給這段歷程中推動我和幫助 我前行的每一位師長和親朋。 首先要感謝的是我的導師黃林生老師,黃老師學識淵博、治學嚴謹、待人和藹,每 一種品質都令人欽佩并值得我用一生去學習。

                          論文的工作也是在黃老師悉心指導下完成 的,從論文選題到最終定稿,黃老師到傾注了大量時間和精力,及時指項目,在此非常 感謝中科金誠智能科技有限公司陳陽德總經理、謝導我并解決遇到難題,也正是因為黃 老師的無微不至的關懷與指導,才使得論文如期完成。畢業在即,瑾向尊敬的黃老師致 以最真摯的感謝和最久遠的祝福。

                          本人論文題材出自安徽大學和安徽中科金誠智能科技有限公司的合作發凱和何茂 彬等同事的幫助,感謝他們在我論文撰寫期間對我技術上的建議和指導。 此外,我還要感謝我的實驗室所有老師,感謝你們在我的三年研究生生活中給予教 導、關心和幫助,感謝實驗室一群可愛的伙伴們,在撰寫論文的過程中,你們都一直陪 伴我,感謝你們的支持和幫助,感謝你們在生活上、學習上給予幫助和關懷,三年里, 我們共同成長,在分享經歷同時感悟人生。

                          感謝我的家人和愛我的朋友們,你們默默奉獻是我求學三年來的支持和動力。

                          最后,感謝在百忙之中對論文進行評審和指導的各位專家、老師們,你們辛苦了!

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