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2024年3月11日发(作者：fortifying是什么意思)
Comprehensive Perception
DOI
：
10.16667/.2095-1302.2023.07.009
基于物联网技术的农业大棚数据采集系统
师 喏，王宇成，马丽华，吴嘉蓉，张党锋
（
西安欧亚学院
，
陕西 西安 710065
）
随着科技的迅猛发展
，
物联网异军突起
，
其相关应用如雨后春笋般涌现
。
各国都把发展科技农业放在
摘 要：
首位
，
其中农业温室
、
智能大棚环境的数据采集和自动控制显得尤为重要
。
本设计依靠物联网技术
，
运用物联网三
层架构
，
以STM32单片机为控制核心
，
以蓝牙技术辅助
，
通过在农业大棚内安装温湿度传感器和光照强度传感器
对大棚内的环境数据进行实时采集
，
从而能够让本系统的使用者及时地在手机APP上了解大棚内的环境情况
，
能
够在第一时间控制和改善作物生长的自然环境
，
使作物生长受自然条件的影响减小
，
达到四季高效生产
，
可增加产
值
，
创造更多价值
，
与此同时有效地减少人力资源的浪费
。
物联网
；
传感器
；
智能大棚
；
单片机
；
蓝牙
；
数据采集
；
自动控制
关键词：
TP39
；
S2 A 2095-1302
（
2023
）
07-0037-04
中图分类号：文献标识码：文章编号：
0 引 言
随着农业与科技的迅速发展
，
智慧农业受到重视
。
中国
各地政府都将高新技术农业的研发放在了首位
，
其中智能化
大棚已经成为发展重点
，
中国农民也逐渐由传统粗犷式的劳
作方式向精耕细作的方向发展
，
高新技术在农业中的运用
也越来越重要
，
能够节约能耗
，
从而实现经济增效
、
利国利
民
[1-4]
。
提升农业生产效率
，
促进农村大棚现代化运营
，
是
为了改善中国农村的劳动力短缺
、
物质资源匮乏的问题
。
通
过精耕细作
，
使土地利用合理化
，
最大程度地保障了农户收
益
，
实现农业耗能最低化
，
从而达到可持续发展的目标
，
造
福国家和人民
[5-6]
。
各级人民政府可以采用数据共享管理
、
设立大棚作物监测中心的方法
，
利用数据和图像信息监控大
棚栽培状况
，
收集农民信息
，
向农民发布经济信息
，
实现双
方信息共享
，
使信息上下传达更加迅捷流畅
，
最终增加农民
收入
，
充分体现了信息惠农的理念
[7-11]
。
实时采集
、
传输和处理农业大棚环境参数是实现智慧农
业的关键技术之一
。
一般来说
，
农业生产基地和监测中心或
大数据服务器之间距离较远
，
所需要传输的数据量较大
。
无
线通信传输技术具有数据传输安全可靠
、
网络节点支持多
、
成本低廉
、
兼容性强等特点
。
本文设计了一个基于蓝牙技术
的农业大棚数据采集系统
，
系统通过光照传感器模块
、
温
湿度传感器模块等采集数据并传送给STM32F103ZET6和
STM32F103C8T6主控系统
，
采用蓝牙技术组网进行通信传
输
，
通过手机APP实现对大棚的环境进行远程实时监测和参
数设置
。
1 系统总体方案
1.1 系统功能分析
数据采集功能
：
通过安装环境温湿度传感器收集环境温
湿度数据
，
安装光照强度传感器采集光照强度数据
，
以此来
实现农业大棚环境数据的采集
。
无线通信功能
：
该功能需要依靠蓝牙通信模块将农业大
棚内的节点采集到的环境数据进行传输
。
APP显示及控制阈值功能
：
通过APP实现农业大棚环
境数据的显示和阈值的控制
，
除此之外还要实现在环境数据
的值超过设定的阈值时进行告警
。
因此
，
APP需要通过蓝牙获取到单片机上传感器采集到
的数据
，
并对数据进行分析判断
，
如果超出阈值还要在手机
上以弹出通知栏的形式通知使用者当前农业大棚的环境存在
异常需要及时处理
。
1.2 系统总体方案设计
本设计依靠物联网技术
，
运用以下物联网3层架构
：
用于收集各种信息数据
，
是农业物联网获
（
1
）
感知层
：
取农业生产信息和传输信息的最关键部分
。
感知层由温湿度
传感器
、
光照强度传感器和单片机组成
，
协作完成温湿度数
据和光照强度数据采集的任务
。
位于感知层和应用层之间
，
它最主要的作
（
2
）
网络层
：
2023
年
/
第
7
期
物联网技术
收稿日期
：
修回日期
：
2022-10-10 2022-11-08
基金项目
：
西安欧亚学院教学改革项目
—
背景下地方
“
新工科
”
应用型本科院校专业课课程思政探索与实践
（
2021ZD
008
）
西安欧亚学院校级立项重点课程
—
大数据分
；
析与可视化陕西省大学生创新创业训练
（
2019KC001
）；
计划省级项目
—
药品卫士
（
S2
）
37
Comprehensive Perception
用是通过通信保证感知层与应用层之间的信息稳定可靠地传
递与交换
。
农业大棚生产环境比较稳定
，
对数据传输实时性
相对要求较低
。
本文网络层主要指的是支持BLE低功耗协
议和串口模式的蓝牙模块
，
其负责手机APP与单片机之间的
数据上发和下发
，
同时也负责单片机之间的数据传输
。
是物联网体系的最上层
，
起到信息与决策
（
3
）
应用层
：
的作用
，
其将农业物联网技术与农业生产生活紧密联系起
来
，
对来自传输层的信息进行分析处理
，
实现对农业的智能
化管理
。
本文应用层则指的是农业大棚数据采集APP
，
使用
者能够在APP上获取农业大棚相关信息和控制相关阈值
，
该
APP是实现人机交互功能不可或缺的工具
。
系统总体方案设
计如图1所示
。
图1 系统总体方案设计
2 系统硬件设计
本设计包含两个节点
，
分别代表两个农业大棚
。
每个节
点都由一块主控板
、
温湿度传感器
、
光照强度传感器和蓝牙
模块组成
。
系统硬件框图如图2所示
。
图2 系统硬件框图
2.1 主控模块选择
农业大棚数据采集系统选择STM32F103系列作为控制
和编程的终端
，
其操作简单
、
功能齐全
。
2.2 温湿度传感器模块设计
选择了DHT11数字温湿度传感器
，
如图3所示
。
该传
感器能够同时采集环境中的温度
、
湿度数据
。
传感器为四针
单排针
，
使用杜邦线连接
，
使用方便
。
2.3 光照强度传感器模块选择
本设计对大棚内光照强度的检测采用TEMT6000光敏三
极管光照强度传感器
，
实物如图4所示
。
应用
，
同时搭载UART串口
。
优势有功率消耗较低
、
体积较
小
、
收发数据灵敏度高
、
实现额外功能所需要的外围设备少
。
因为手机APP使用易安卓完成设计
，
所以为了配合易
安卓的BLE类库
，
又选择了DX-BT18蓝牙模块
，
其实物如
图6所示
，
实现手机的蓝牙与单片机连接
。
图5 HC-42实物 图6 DX-BT18实物
3 系统软件设计
3.1 软件功能分析
软件包括上位机和下位机两部分
。
上位机软件主要是手
机端APP
，
需要实现与单片机进行通信连接与传输
，
将采集
上来的数据进行显示
，
同时还要能够控制阈值实现告警通知
栏弹窗
。
下位机软件则需要实现大棚环境内各传感器的数据
采集
。
3.2 开发平台选择
选择简单易读
、
对环境没有过多要求的易安卓作为上
位机软件开发平台
；
下位机的设计平台选择了业界主流的
Keil5
。
3.3 上位机软件设计
上位机软件部分重点是将DHT11温湿度传感器
、
TEMT6000光照强度传感器采集到的数据在手机APP上进行
显示
，
当数据超过设定的阈值时在手机内弹窗告警
。
图3 DHT11实物 图4 TEMT6000实物
2.4 蓝牙模块设计
本系统采用蓝牙技术进行通信
。
考虑到农业大棚环境可
能较为复杂
，
为了更加稳定地通信
，
选择了支持蓝牙BLE5.0
的HC-42蓝牙模块
，
实物如图5所示
。
BLE5.0协议是蓝牙
低功耗协议的最新版本
，
功耗低意味着农业大棚内的无线节
点能够有更长的工作周期
。
DX-BT18蓝牙模块内嵌256 KB有效存储空间
，
采用
BLE4.0蓝牙协议
，
支持的AT指令允许用户自由修改参数
，
如串口波特率
、
设备名字
、
配对密码等
，
并可按照要求灵活
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物联网技术
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/
第
7
期
Comprehensive Perception
3.3.1 界面设计
本设计需要实现手机通过蓝牙连接到单片机
，
所以在
APP界面的上部放置了蓝牙的搜索窗口
，
以便于使用者选择
正确的蓝牙进行配对
；
在APP界面的中下部分放置了农业大
棚名称的编辑框和显示数据的标签
，
在APP的最下边放置了
设置阈值的部分
。
具体APP界面如图7所示
。
图7 APP主界面
3.3.2 蓝牙搜索及连接
首先需要获取手机权限
，
为了方便
，
在第一次安装APP
的时候提示需要申请所有权限
。
如果没有获取到相应的蓝牙
使用权限则APP退出
，
在获取到蓝牙的使用权限后自动打
开手机蓝牙功能并弹出提示
“
蓝牙已开启
”。
此时
，
蓝牙被
打开并置于串口模式中
，
可以被检测到
。
蓝牙处于打开状态
下则可以进行下一个使用流程
，
在APP界面上找到搜索按
钮
，
然后单击
；
当搜索按钮被点击
，
APP开始搜索并显示能
够进行配对的设备
，
同时弹出提示
“
正在搜索
”，
当选择好
需要连接的设备后点击连接按钮
，
弹出
“
正在连接
”。
下一
个流程需要判断连接的结果
，
成功则弹出提示
“
连接成功
”，
失败则弹出提示
“
连接失败
”。
除此之外
，
APP界面上还有
一个断开连接按钮
，
单击此按钮后
，
程序在蓝牙断开后退出
。
该部分功能精简流程如图8所示
。
3.3.3 数据显示与通知栏弹窗告警
首先需要创建事件接收数据
，
随后通过
“
如果-则
”
函数一直查找单片机上发的数据文本
。
此处的数据文本
是在硬件源码里被定义的STM32F103ZET6开发板上的
光照强度数据
“
Aa
”、
温度数据
“
Ab
”、
湿度数据
“
Ac
”，
STM32F103C8T6开发板上的光照强度数据
“
Ba
”、
温度数据
“
Bb
”、
湿度数据
“
Bc
”。
下一个流程则是判断读取到的数据
大小是否超过设定的阈值
，
当数据大小超过设定的对应阈值
则会在手机状态栏添加通知
“
大棚报警
”“
温度/湿度/光照
强度过高
，
请及时处理
”。
该部分功能实现流程如图9所示
。
3.4 下位机设计
下位机主程序主要是将采集上来的数据调用并显示在开
发板的LCD屏上
、
显示超过阈值的告警信息以及接收上位
机下发的阈值信息并重新设置阈值
，
主程序流程如图10所示
。
图9 数据显示和通知栏弹窗告警功能流程
图8 蓝牙搜索、连接、断开功能流程
4 系统软件设计
依据设计要求完成了基于蓝牙技术的农业大棚数据采集
系统后进行了一系列的测试
。
4.1 测试内容
系统测试的主要内容是测试HC-42蓝牙模块
、
DX-BT18
蓝牙模块
、
DHT11温湿度传感器
、
TEMT6000光照强度传感
器
、
APP的工作情况以及系统无线连接情况
。
4.2 测试步骤
（
1
）
蓝牙模块测试分为两个部分
。
第一个部分是
开发板之间的蓝牙通信是否正常
，
上电开机后查看
STM32F103ZET6开发板上的LED屏是否出现数据
；
第二部
分是手机APP上能否搜索到需要连接的蓝牙模块
，
能搜索到
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期
物联网技术
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Comprehensive Perception
则进行连接
，
随后观察手机APP上是否出现数据且数值是否
根据环境变化而出现变化
。
在开发板上
（
2
）
温湿度传感器和光照强度传感器测试
：
点开机后查看STM32F103ZET6开发板上的LED屏是否出
现数据
，
出现数据后将打火机点火并靠近DHT11温湿度传
感器
，
观察温度数值是否上升
；
使用湿纸巾靠近DHT11温
湿度传感器
，
观察湿度数值是否增加
；
使用手电筒光照射
TEMT6000光照强度传感器
，
观察光照强度数据是否上升
。
执行完以上操作后观察这3个数值是否恢复正常
。
将APP打开
，
点击搜索
，
查看
（
3
）
手机APP的测试
：
是否能够正常搜索到可以连接的设备
，
连接设备后查看是否
能显示数据
，
然后观察APP上的各个部件位置是否变化
，
随
后设置温湿度和光照强度阈值低于此时采集上来的温湿度和
光照强度数值
，
弹出告警通知栏弹窗
。
将从机节点和手机分别放置
（
4
）
无线连接稳定性测试
：
在与蓝牙主机节点有一定距离处
，
并查看连接情况
。
图11 联调结果
据
。
打开APP
，
搜索到主节点蓝牙模块名称并连接
，
APP上
也显示数据
。
设定好阈值后下发
，
观察是否有告警
。
系统整
体联调如图11所示
。
经过测试
，
本设计可以正常工作
，
能
够完成所有预设功能
。
5 结 语
本文设计了农业大棚数据采集系统的总体方案
，
讨论了
物联网感知层
、
网络层和应用层三层架构的硬件设计和选择
以及软件开发技术等
。
最后
，
对农业大棚数据采集系统做了
整体测试
，
确保各部分功能的正常运作
。
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图10 主程序流程
4.3 最终测试结果
测试前需要验证本农业大棚数据采集系统整体是否正常
工作
。
将温湿度传感器
、
光照强度传感器
、
蓝牙模块用杜邦
线连接到开发板上对应的使能过后的引脚上
，
上电后证实各
传感器和蓝牙模块能够运作
，
蓝牙主节点的显示屏上显示数
作者简介
：
师 喏
（
2002
—），
男
，
西安欧亚学院物联网工程专业在读学生
。
王宇成
（
2000
—），
男
，
西安欧亚学院物联网工程专业学生
。
马丽华
（
1974
—），
女
，
工学博士
，
教授
，
研究方向为光电探测
。
吴嘉蓉
（
2001
—），
女
，
西安欧亚学院物联网工程专业学生
。
张党锋
（
1986
—），
男
，
本科
，
研究方向为学生事务与创新性创业
。
40
物联网技术
2023
年
/
第
7
期
版权声明：本文标题：基于物联网技术的农业大棚数据采集系统 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://www.roclinux.cn/b/1710107964a558051.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
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