基于物联网的智慧农业大棚控制系统【附设计】

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构建一个智能化的农业大棚控制系统，通过物联网技术实现对大棚环境的实时监测与控制，以提高作物产量和质量。该系统的设计包括信息采集节点、数据传输节点、执行设备控制节点以及远程监控节点，利用LoRa无线通信技术实现节点间的数据传输，确保信息的高效、稳定传递。

2. 系统架构设计

2.1 信息采集节点

信息采集节点是系统的重要组成部分，负责实时监测大棚内的环境参数。主要包括以下几个方面：

• 传感器选型：系统选用多种传感器，包括温湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器和CO2浓度传感器。这些传感器能够全面反映大棚的环境状况，确保数据的准确性。
• 数据采集：通过STM32F103C8T6微控制器对传感器数据进行采集，采用ADC接口读取模拟信号并转换为数字信号。系统设置定时采集，以保证环境数据的实时更新。

2.2 数据传输节点

数据传输节点负责将采集到的数据进行处理并传输到控制中心。设计思路如下：

• LoRa无线通信：选择LoRa模块作为数据传输的主要手段，具有远距离、低功耗的特点，适合农业大棚这种相对封闭的环境。通过LoRa网络，将各个信息采集节点的数据汇总至中心节点。
• 网络拓扑结构：采用星形拓扑结构，中心节点与各信息采集节点之间的通信简洁高效。中心节点接收所有数据后进行初步处理，并通过Wi-Fi或GPRS模块上传至云服务器。

2.3 执行设备控制节点

执行设备控制节点负责根据监测到的环境数据，自动或手动控制大棚内的设备，确保作物在最佳生长条件下生长。控制的设备包括：

• 卷帘机：根据光照强度和温度数据，自动调节卷帘的高度，以避免温度过高或光照过强。
• 风机和水泵：根据温湿度和土壤湿度的实时数据，自动启停风机和水泵，以维持适宜的环境条件。

3. 硬件设计

3.1 整体架构

硬件设计包括系统中各节点的主控制器、传感器、LoRa模块、Wi-Fi模块和GPRS模块的选型与电路设计。具体内容如下：

• 主控制器：选择STM32F103C8T6作为主控制器，具有处理速度快、存储容量大、功能丰富的优势，适合本系统的需要。
• 外围电路设计：通过Altium Designer软件设计最小系统电路，确保电源稳定和信号完整。同时完成PCB的绘制与焊接，保证系统的可靠性与稳定性。
• 控制箱设计：设计并制作控制箱，能够安全地控制380V电机设备，确保大棚内的各项设备能够安全高效地运行。

4. 软件设计

4.1 程序开发

在软件开发方面，利用Keil5软件对各节点的STM32单片机程序进行设计与编写，重点包括以下几个方面：

• 数据采集程序：编写数据采集程序，实现对各类传感器数据的采集和处理，保证数据的准确性和实时性。
• LoRa通信协议：对LoRa组网方式和数据传输方式进行优化，确保数据的快速传输和有效接收。
• 智能决策程序：开发智能决策程序，根据采集到的环境数据，自动控制执行设备，确保作物生长在适宜的环境条件下。

4.2 Web信息管理系统

系统还设计了基于B/S架构的Web信息管理系统，实现了大棚的实时监测与管理功能。具体设计如下：

• 前端开发：使用Vue.js、ElementUI和Echarts技术构建用户界面，界面简洁直观，方便用户操作。
• 后端开发：采用SpringBoot和Mybatis-Plus框架进行后端开发，处理数据请求和响应，确保系统高效运行。
• 功能模块：系统支持实时监测大棚内环境信息、查询历史记录和管理设备，用户可手动控制执行设备或开启自动控制模式，实现科学管理。

5. 系统测试与验证

在系统搭建完成后，进行全面的测试与验证，以确保系统的功能和性能满足实际需求。

5.1 功能测试

对系统各个功能模块进行逐项测试，包括数据采集的准确性、执行设备的控制精度等。测试结果表明，各项功能均能够正常运行，满足设计要求。

5.2 性能测试

通过模拟不同环境条件，测试系统在极端气候下的表现。系统能够稳定运行，传感器数据采集与传输实时性良好。

5.3 稳定性测试

将系统长期运行在实际大棚环境中，观察其对环境变化的响应能力。经过一个月的测试，系统表现出良好的稳定性，能够持续监测环境参数并有效控制设备。

#include "stm32f10x.h"
#include "sensor.h"
#include "loRa.h"
#include "actuator.h"

void setup() {
    // 初始化系统时钟
    SystemInit();
    // 初始化传感器
    Sensor_Init();
    // 初始化LoRa通信
    LoRa_Init();
    // 初始化执行设备
    Actuator_Init();
}

void loop() {
    // 采集传感器数据
    SensorData data = Sensor_Read();
    // 数据处理与决策
    if (data.temperature > 30) {
        Actuator_Control("fan", ON); // 启动风机
    } else {
        Actuator_Control("fan", OFF); // 关闭风机
    }
    // 通过LoRa发送数据
    LoRa_Send(data);
    // 等待一段时间
    Delay(1000);
}

int main() {
    setup();
    while (1) {
        loop();
    }
}