*本項目在2021年中國研究生電子設計競賽獲省級一等獎，受中央高校科研業務費項目支持（QTZX22093、RW200144）

與世界上農業發達的國家相比，中國的農業科技水平較低，導致在農業人口比例極大的情況下，農業產值不高。作為一個以農業發展為主的國家，傳統農業主要依靠大量的人力、手工工具和一些簡單的機械設備，農民基本憑經驗種植，導致用于農業生產所消耗的水資源、農藥、化肥等都在飛速增長，但農業產量依然較低。本系統將物聯網和農業相結合，針對溫室大棚作物的生長過程，實現各類環境參數的實時監測和相關生產流程的智能控制，進而實現農產品的增收。

1 系統設計

1.1 系統組成部分

本系統整體可分為4 部分：①是以STM32L010 芯片為核心的主控系統；②包括溫濕度傳感器HDC1080、光照傳感器OPT3001、監控攝像頭等監測設備和繼電器、電磁閥等控制設備；③是基于物聯網的數據傳輸系統。④是數據分析系統，包括手機APP、大屏終端和服務器。整體系統框架如圖1 所示。

圖1 系統框架圖

1.2 系統工作過程

采集節點每 5 min 喚醒 1 次，讀取傳感器數據。若數據正常則將數據存儲在 flash 中，讓節點掉電，進入低功耗模式并等待定時喚醒；若數據超過報警上下限則將 flash 中數據通過窄帶物聯網上傳至云端服務器。服務器通過 MQTT 協議廣播數據，用戶在手機 APP 或者大屏終端上獲取大棚環境參數，數據異常時會自動下發控制命令。控制節點收到后控制水閥和風機的運作，實現大棚環境參數的調整，提高農作物產量。

2 系統功能實現

2.1 硬件部分

2.1.1 采集節點

MCU 采用 STM32L010K8T6，待機模式下電流 0.23 uA, 內部集成模數轉換器（ADC）、通用定時器（GPTIM）等外設。

定時器模塊采用時基芯片 TPL5110DDC+ 模擬開關 TS5A3160DBV。通過外圍電阻選擇定時時間為 5 min，若 MCU 采集的傳感器數據正常，則寫入 flash 并發送高電平控制模擬開關關斷電源。若 MCU 采集的傳感器數據異常，則將數據上傳到云端服務器，當收到掉電命令后，再控制模擬開關關斷電源。

2.1.2 溫濕度傳感器

本文采用低功耗的數字溫濕度傳感器 HDC1080，該傳感器通過 I²C 總線與 MCU 進行數據傳輸，能以超低功耗提供出色的測量精度。依照芯片對應的通信時序圖，編寫了基于 I²C 通信協議的使用程序。

圖2 I²C通信時序圖

2.1.3 物聯網模塊

采用中移的物聯網模塊 M5311，與 MCU 之間通過串口傳輸數據。由于 M5311 串口的高電平為 1.8 V，MCU 串口的高電平為 3.3 V，設計了電平轉換電路。M5311 通過窄帶物聯網登錄 OneNet 云平臺后，會將 MCU 的數據通過 MQTT 協議透傳到云平臺上。

2.1.4 控制節點

通過 220 V 市電轉換為 5 V，然后穩壓到 3.3 V 給 節點供電。控制節點上電初始化后連接 OneNet 云平臺，每 10 s 上報一條報文作為心跳幀，保持與云平臺的連接。若收到控制命令，則通過繼電器和電磁閥控制水閥和風機的運轉，調整大棚的環境參數。

2.2 軟件部分

2.2.1 手機APP

手機 APP 通過 Android Studio 平臺使用 JAVA 語言進行編程，APP 采用兩級大棚分區策略，操作管理更加方便。主界面是整個棚區的衛星地圖，進入每個大棚后，顯示了環境參數的實時數據和歷史數據曲線。此外，還添加控制命令和攝像頭功能，可以實時看到作物的生長狀況，如圖 3 所示。

圖3 手機APP界面

2.2.2 大屏終端

大屏終端界面包括實時數據顯示、歷史曲線變化、報警信息、在線設備統計和控制狀態顯示等功能，如圖4 所示。若收到的數據超過報警上下限，則在報警信息處顯示節點號、時間和異常值，便于用戶及時了解并做出響應。

圖4 大屏終端界面

2.2.3 MCU程序

MCU 程序通過 Keil 平臺使用 C 語言進行編程，主要包括系統初始化、采集傳感器數據、上傳至 OneNet 云平臺、接收升級文件等。工作流程如圖 5 所示。

圖5 MCU工作流程

2.2.4 遠程升級

工業 4.0 時代，隨著物聯網技術的不斷成熟，信息技術是促進產業變革的重要因素。嵌入式設備高度集成，功率較小，功能可裁剪，通信功能強大，便于與其它設備結合，因此在新型農業設備上應用極廣。傳統使用燒錄器對嵌入式設備進行現場下載 程序的方式已遠不能滿足軟件升級對高頻次，便攜性，穩定性以及安全性的要求，新近研究往往又把其重點放到終端設備本身，這給嵌入式設備本身增加了不穩定性，使其更繁冗，同時增加了生產成本。

采集節點在實際使用時，一般安裝在較為偏遠的溫室大棚中。考慮到現場升級不太方便，本項目實現了采集節點的 IAP 遠程升級功能，利用 NB 網絡傳輸升級文件，大大降低了設備的維護難度，提升了便利性，如圖 6 所示。

圖6 遠程升級框架

本文在 python 端實現了遠程升級的自動化。遠程升級開始后，由 python 端自動下發升級報文，農業采集節點校驗成功后，寫入 flash，并上報下一條升級包的序號，python 端自動下發下一條升級報文。待所有升級報文下發完成后，農業采集節點跳轉到新的程序開始 行。流程圖如圖 7 所示。

圖7 遠程升級流程圖

3 結束語

本文設計并實現了一種基于物聯網的低功耗智慧大棚控制系統，硬件和軟件經測試均可正常運行，配合 3 000 mAh 可充電鋰電池能使用 90 d。本系統能檢測農業大棚環境并自動做出調節，使作物一直處于合適的生長環境，增加作物的產量。

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(注：本文源自《電子產品世界》雜志2023年4月期)