物联网智慧农业控制系统设计

王成旭，陈燕慧

（临沂大学 机械与车辆工程学院，山东 临沂 276005）

在人口增加、人均耕地下降、农田受污染和气候变迁等大背景下，为满足未来庞大的农业生产需求，智慧农耕应运而生，其依据时刻变化的数据，来分析、计算、判断并执行最好的种植方案。

实现“零饥饿”是联合国列入2030可持续发展的目标之一。随着自然环境的变化、城市化进程加速，农业从事者长期流失，人均耕地面积减少，土壤农药污染严重等，仅依赖现有自然条件以及传统农业技术，很难支撑2030目标达成。科技为农业赋能，帮助突破种植条件限制，全面提升粮食产量。一片田中两块土地，土壤水分含量、营养情况、农作物生长情况都可能不同，而传感器和移动设备等可实现远程管理农场，同时做到实时监测土壤湿度、环境温度、作物状况，获得精准数据。在肥力高的地方进行密集种植，反之则稀疏种植，播种、给水、施肥、调种等一系列农艺措施都可基于多元数据进行灵活调整，让土壤和作物处于最佳匹配状态。精准农耕的前提，是对所收集数据深入分析，形成农情多元数据图谱。基于云服务的农情图谱可以帮助农民迅速得到农作物在不同关键生长阶段所需的土壤灌溉、肥力需求；还可结合地形特征、气候预期、病虫害程度等信息进行产量预估、农作活动安排、预算管理等。多元数据图谱对农田的状态和农业生产过程提供多维度实时监测与分析，在多变环境中做出敏捷而高效的预警，及时给予多种应对措施的建议、快速锁定损失区域并估算后期产量。从而降低突变环境因素对产量的影响，帮助农民及时止损。

通过ESP-8266WiFi模块联网云平台，将多项传感器接入物联网系统，自动控制外接负载状态，精准控制农作物的生长环境保持最佳条件，可达到提高作物产量的效果。采用二氧化碳浓度检测转化碳货币，助力实现碳中和，释放传统农业的经济潜能。

智慧农耕还具有根据周围生产环境的含碳情况进行准确监测的能力，帮助调节与维持环境碳平衡，推进碳中和目标实现。货币，往往伴随着该国成为国际贸易中心和金融中心的过程。其中，特别值得强调的是，在贸易活动和金融实践中，经济活动与能源贸易的结合度是决定该国货币地位的重要因素，能源绑定往往成为国家崛起和本国货币充当国际货币的助推剂。而碳货币正符合当下潮流。通过监测碳含量、达标时间，经过一定算法转化为碳货币，可兑换成人民币。与货币相联系有利于市场的开发推动，促进碳中和事业的发展。

本作品采用SEP-8266WiFi模块做主控芯片，通过编译相应控制程序，利用Wi-Fi通信功能联网到云服务器，传感器设备实时上传数据信息，实现手机应用无线网络控制，利用RGB-LED灯环智能调节作物生长的最适光谱、光照强度，提高作物产量；利用手机远程控制，实现驱动外部负载，控制风扇智能降温、通风换气，实现智能控温功能；通过反季水果种植，提升市场竞争力和提升商业价值；利用传感器实时检测，采集土壤湿度信息，并上传到云平台；利用传感器实时检测，继电器控制水泵，自动添加营养液，实现自动灌溉功能；检测土壤pH酸碱度，调节植物最适生长酸碱环境，提高产能；二氧化碳传感器实时采集监控二氧化碳浓度信息，计算碳减量，换算碳货币，助力实现碳中和；太阳能发电板供电，为控制系统提供能原动力。

系统硬件电路框图如图1所示。该智慧农业设计由太阳能发电板供电，为控制系统提供能原动力。控制模块以ESP-8266WiFi模块为主控元件，外围模块主要由土壤湿度传感器模块、土壤pH酸碱度分析计、温湿度检测模块、二氧化碳检测模块、外接负载、自动灌溉水泵、灯光控制电路等组成，ESP-8266WiFi模块进行土壤湿度、土壤pH酸碱度、环境温湿度数据采集，联网后将传感器的数据发送到云平台，传输到手机软件实时显示，并驱动外接负载模块，实现智慧农业的智能化控制。

图1 系统硬件电路组成框图

系统硬件电路图如图2所示。该电路图由MCU主控电路、LED彩灯照明电路、土壤检测模块、温湿度采集模块、二氧化碳检测模块、继电器控制电路和继电器模块、OLED显示屏、电源电路、下载电路、蜂鸣器模块组成。主控MCU选择了安信可科技提供的ESP8266-12模块，有多路GPIO引脚做数据传输使用，LED照明电路由WS2812B智能灯珠排列的点阵组成，智能控制颜色和亮度，土壤检测模块封装数据接口，可外接土壤水分传感器（RS-SD-I20-TR）、pH酸碱度传感器进行信息采集。温湿度采集模块由DHT11温湿度传感器构成，二氧化碳检测由MH-Z19B模块组成，继电器控制电路和继电器模块由5 V继电器SRD-05VDCSL-C组成，屏幕采用0.96寸IIC 4路OLED显示屏，电源电路采用USB3.1 type-c接口，下载电路、蜂鸣器电路使用传统接线方式，辅助下载程序，发出警报，达到预期效果。

图2 系统硬件电路图

控制器采用的是ESP8266WiFi模块，ESP8266是上海乐鑫信息科技设计的低功耗Wi-Fi芯片，集成完整的TCP/IP协议栈和MCU。ESP8266模块是深圳安信可公司基于ESP8266芯片研发的串口Wi-Fi模块，有低成本、易操作、功能强大等特点。ESP8266硬件接口丰富，支持IIC、UART、PWM、ADC、GPIO等，适用于各种物联网应用场合。可通过Arduino编程开发，编制相应的控制程序，驱动外界负载。接收多项传感器采集信号，发送到云平台，连接到手机软件做控制器。

智慧农业设计的数据采集电路由土壤湿度传感器模块、土壤pH酸碱度分析计、温湿度检测模块、二氧化碳检测模块组成。多项传感器将所测数据通过ESP-8266WiFi发送阿里云平台，阿里云物联网平台提供安全、稳定、高效的设备通信能力，具有低成本、高可靠、高安全、高性能等优势，支持设备数据采集后上传云服务器，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端。提供方便快捷的设备管理能力，数据结构化存储和远程调试、监控、运维。无须自建物联网基础设施即可接入各种主流协议设备。通过互联网实现手机应用实时显示土壤湿度、酸碱度，环境温湿度数据等状态信息。

物联网数据输出电路由水泵、外接负载模块、灯光控制模块、信息显示屏组成；继电器控制水泵，可自动添加营养液，实现自动灌溉功能；利用手机远程控制，实现驱动外部负载，控制风扇智能降温、通风换气，实现智能控温功能，实现反季水果种植，提升市场竞争力，提升商业价值；利用RGB-LED灯环智能调节作物生长的最适光谱、光照强度；检测土壤pH酸碱度，调节植物最适生长酸碱环境，提高产能；二氧化碳传感器实时监控、采集二氧化碳浓度信息，将信息发送到显示屏，计算碳减量，换算碳货币，助力实现碳中和。

主程序流程图如图3所示。接通电源，ESP8266模块自动Wi-Fi联网，利用Wi-Fi通信功能联网到云服务器，通过手机应用实现无线网络控制，传感器设备实时上传数据信息。通过点灯科技APP搭建相应的软件功能模块，实现手机应用无线网络控制，利用RGB-LED灯环智能调节作物生长的合适光谱、光照强度，控制风扇智能降温、通风换气，实现智能控温功能，增加农作物品类，利用传感器实时检测、采集土壤湿度信息，上传到阿里云平台；智能控制继电器开关水泵，实现自动灌溉功能；检测土壤pH酸碱度，调节植物最适生长酸碱环境；二氧化碳传感器实时采集监控二氧化碳浓度信息。

图3 ESP-8266主程序流程图

本文研究的物联网智慧农业设计，利用ESP-8266WiFi模块与多项传感器结合实现智能联网功能。采集土壤湿度、酸碱度信息，通过算法自动控制灌溉水泵添加营养液；采集环境温湿度信息，驱动外接负载智能控温；精准控制农作物的土壤pH酸碱度、土壤水分、温度、光照强度、最适光谱等，使作物生长环境保持最佳条件，达到提高作物产量的效果。通过二氧化碳浓度检测，计算单位时间的碳减量，换算碳货币，释放传统农业的经济潜能，助力实现碳中和。