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基于物联网的温室大棚监控系统的设计与实现.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.98M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 目 录 1 绪论 .......................................................................................................................................... 1 1.1 研究的背景 ........................................................................................................................ 1 1.2 研究的意义 ........................................................................................................................ 1 2 开发平台与软硬件介绍 .......................................................................................................... 1 2.1 开发平台 ............................................................................................................................ 1 2.2 硬件介绍 ............................................................................................................................ 2 2.2.1 STM32F103-指南者开发板 ........................................................................................ 2 2.2.2 DHT11 数字温湿度传感器 ......................................................................................... 3 2.2.3 GY-30 光照强度传感器 .............................................................................................. 3 2.3 软件介绍 ............................................................................................................................ 3 2.3.1 Qt 简介 ......................................................................................................................... 3 2.3.2 MDK-ARM 简介 ......................................................................................................... 4 3 系统总体方案设计 .................................................................................................................. 4 3.1 系统技术架构 .................................................................................................................... 4 3.2 系统组成和工作原理 ........................................................................................................ 5 3.2.1 系统组成 ..................................................................................................................... 5 3.2.2 工作原理 ..................................................................................................................... 5 4 控制系统与采集系统 .............................................................................................................. 6 4.1 服务器程序设计 ................................................................................................................ 6 4.2 控制系统程序设计 ............................................................................................................ 6 4.2.1 补光灯的控制 ............................................................................................................. 6 4.2.2 蜂鸣器的控制 ............................................................................................................. 8 4.2.3 排风扇的控制 ............................................................................................................. 9 4.3 光照度采集单元 .............................................................................................................. 11 4.4 温湿度采集单元 .............................................................................................................. 12 5 上位机程序设计 .................................................................................................................... 13 5.1 客户端界面设计 .............................................................................................................. 13 5.2 客户端系统设计 .............................................................................................................. 15 6 系统功能测试 ........................................................................................................................ 18 I
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 7 结论 ........................................................................................................................................ 20 参考文献 .................................................................................................................................... 21 附录一 ........................................................................................................................................ 22 附录二 ........................................................................................................................................ 23 致谢 ............................................................................................................................................ 24 II
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 基于物联网的温室大棚监控系统的设计与实现 摘要：随着 5G 技术的不断成熟，物联网技术将会得到更好的发展，基于物联网的温室大 棚监控技术也会得到更好的发展。但是就目前的发展情况来看，在基于物联网的温室大 棚监控技术上与国外还有很大的差距，就此根据现代温室大棚监控与管理的需求，基于 物联网技术的框架，设计并实现了一种基于物联网的温室大棚的环境监控系统。该系统 以基于 STM32F103VET6 微控制芯片为核心，以 GY-30 为光照度采集单元，以 DHT11 作 为温度和湿度的采集单元，用 ESP8266 模块进行数据传输，使用 Ubuntu 搭建服务器，使 用 Qt 进行上位机的开发。实现对温室大棚内的温度、湿度、光照度等环境参数的在线实 时监控。用户可以在客户端查看温室大棚的环境参数，也可以通过客户端控制相应的设 备。系统实际运行结果表明，设计的方案切实有效，具有一定的使用价值。 关键词：物联网技术；传感器技术；温室大棚；控制技术；STM32； Abstract: With the continuous maturity of 5G technology, the Internet of things technology will get better development, and the greenhouse monitoring technology based on the Internet of things will also get better development. However, according to the current development situation, there is still a big gap between the greenhouse monitoring technology based on the Internet of things and foreign countries. Therefore, according to the requirements of modern greenhouse monitoring and management, a greenhouse environmental monitoring system based on the Internet of things is designed and implemented based on the framework of the Internet of things technology. The system is based on STM32F103VET6 microcontrol chip as the core, gy-30 as the illumination acquisition unit, DHT11 as the temperature and humidity acquisition unit, ESP8266 module for data transmission, using Ubuntu to build a server, using Qt for the upper computer development. Realize real-time monitoring of temperature, humidity, illumination and other environmental parameters in greenhouse. Users can view the environmental parameters of the greenhouse in the client, or control the corresponding equipment through the client. The practical operation results show that the design scheme is practical and effective, and has certain use value. Key words: Internet of things technology; Sensor technology; greenhouses; The control technology; STM32 III
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 1 绪论 1.1 研究的背景 随着 5G 时代的到来，物联网技术的应用越来越广泛，人们的生活与物联网的关系也 越来越密切，对远程控制系统的依赖也越来越强。就目前的温室大棚而言，都是将各种 传感器按照需求结合在一起，构成了一个监控网络，通过各种传感器采集温室环境变化 的各种信息参数，可以帮助我们及时发现和解决问题。 温室大棚监控技术主要针对温度、湿度、光照度等温室作物生长必须的外在物理要 素进行查看和调节，以达到作物生长的最佳条件。近年来，我国在温室大棚监控技术方 面也做了很多的研究，并在温室栽培等方面取得了显著成果。但是在配套技术与设备上 还是相对比较匮乏，使得环境的监控能力不高，生产力有限。能够实现全年生产的大型 现代温室大棚较少。而且需要进口温室设备，但投资又太大，需要的操作人员的素质要 求也高，所以我国温室大棚监控还有很多地方需要改善和提高[1]。 1.2 研究的意义 温室大棚监控系统的研究涉及到传计算机技术、传感器技术、控制技术、通讯技术、 生物技术以及环境科学等多种技术和学科。在 21 世纪前，由于缺乏核心技术的发展，功 能齐全的完全智能化的温室大棚环境监控系统实际应用的还不多。但是，随着物联网技 术不断发展和成熟，其运用于环境监控方面的优势逐步突显，其相对廉价的成本和丰富 便利的应用功能为温室大棚监控系统的建立提供了有力的技术支撑平台。因此，在我国 研究基于物联网技术的温室大棚相关控制系统，具有其独特的科研价值和使用性。 2 开发平台与软硬件介绍 2.1 开发平台 根据温室大棚监控系统的需求，硬件支撑平台的最低要求为处理器 Intel i3 以上，内 存 2GB 以上，本次设计使用的硬件支撑平台的配置见表 1 所示： 表 1 PC 机配置信息 名称 配置信息 处理器 Intel(R) Core(TM) i5-5200U CPU @ 2.20GHz (4 CPUs), ~2.2GHz。 内存 8192MB RAM。 由于本次设计需要使用 Windows 系统和 Ubuntu 系统两种系统，在 Windows 系统下 完成 GUI 设计和对底层设备的开发；在 Ubuntu 系统中完成服务器的搭建和采集数据的 存储。但是由于 Ubuntu 操作系统需要安装在虚拟机上，所以对虚拟机版本也有一定的要 1
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 求，本次设计使用的虚拟机版本见表 2 所示： 名称 产品 版本 表 2 虚拟机配置信息 配置信息 VMware® Workstation 12 Pro 12.5.5 build-5234757 Windows 操作系统和 Ubuntu 操作系统的版本见表 3 所示： 表 3 操作系统的版本信息 操作系统名称 版本信息 Windows 操作系统 Windows 10 专业版 64-bit (10.0, Build 17134). Ubuntu 操作系统 Linux version 3.5.0-54-generic (buildd@lamiak), (gcc version 4.6.3 (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) )。 2.2 硬件介绍 2.2.1 STM32F103-指南者开发板 STM32F103-指南者开发板（以下简称开发板）搭载一颗 STM32F103VET6 控制芯片， 其内核为 ARM 32 位的 CortexTM-M3 CPU。开发板拥有板载 EEPROM，USB 转串口，蜂 鸣器，LED，普通按键，电容按键等外设资源，还可以扩展 VS1053 MP3 模块，W5500 以 太网模块等。其内部拥有 7 通道的 DMA 控制器，多达 80 个的快速 I/O 口，多达 7 个的 定时器，多达 9 个的通信接口等。在开发板上面，可以跑 uCOS 等轻量级系统，是一款 功能很强大的开发板。开发板的实物图如见图 1。 图 1 指南者开发板 2
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 2.2.2 DHT11 数字温湿度传感器 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它 的精度为湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程为湿度 20-90%RH，温度 0~50℃。DHT11 数字 温湿度传感器不但应用了专用的数字模块采集技术，还应用了温湿度传感技术，所以在 可靠性和稳定性方面的表现非常优异。该传感器包括两个感应元件，分别是感应湿度的 电阻式感湿元件和感应温度的 NTC（负温度系数热敏电阻）测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接，使用单总线模式与主机进行通信。因此该产品具有性价比极高、品质 卓越、超快响应、抗干扰能力强等优点[2]。DHT11 传感器实物图如见图 2。 2.2.3 GY-30 光照强度传感器 图 2 DHT11 实物图 GY-30 光照强度传感器拥有一颗 ROHM 半导体公司原装的 BH1750FVI 芯片，该芯 片是一个支持 I2C BUS 接口的数字型光强度传感器集成电路。传感器内置一个 16 位 AD 转换器，可以将采集的光照强度直接以数字的形式输出。该传感器具有高分辨率和低分 辨率两种模式，使用高分辨率模式可以探测到 1lx-65535lx（光照度的单位）范围内的光 强度变化。GY-30 光照强度传感器具有低功率、光源依赖弱、受红外线影响很小等特点。 被广泛地应用于液晶电视、笔记本电脑、便携式游戏机、数码相机等设备上。GY-30 光照 强度传感器的实物图见图 3 所示。 图 3 GY-30 光照强度传感器 2.3 软件介绍 2.3.1 Qt 简介 Qt 是由 Qt Company 开发的跨平台 C++图形用户界面应用程序开发框架，Qt 不仅仅 3
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 是一个跨平台 SDK，它也是一种技术策略，可以快速高效地设计、开发、部署和维护软 件，同时在所有设备上提供无缝的用户体验。它既可以开发 GUI程序，也可开发非 GUI 程 序，比如控制台工具和服务器。Qt 是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为 元对象编译器）以及一些宏。Qt 很容易扩展，并且允许真正地组件编程。具有跨平台、 面向对象、丰富的 API 等特性[3]。 2.3.2 MDK-ARM 简介 MDK-ARM，也称 Keil MDK、Realview MDK、I-MDK、uVision5 等。MDK 源自德 国的 KEIL 公司，是 RealView MDK 的简称。MDK-ARM 软件为基于Cortex-M、Cortex- R4、ARM7、ARM9 处理器设备提供了一个完整的开发环境。MDK-ARM 专为微控制器 应用而设计，不仅易学易用，而且功能强大，MDK-ARM 是 ARM 最全面的软件开发解 决方案。MDK5.14 版本使用uVision5 IDE 集成开发环境，是目前针对ARM处理器，尤其 是 Cortex M 内核处理器的最佳开发工具，非常符合 STM32 系列芯片的开发[3]。 3 系统总体方案设计 3.1 系统技术架构 根据温室大棚的环境控制目标以及环境参数的特点，以物联网技术为支撑，设计温室 大棚监控系统，实现对温室大棚环境参数的可视化全面感知、可靠传输与智能处理，达到 温室大棚智能化、网络化和科学化生产的目标。该系统由客户端、主控系统和采集系统相 结合设计，系统可运行在两种模式下，手动模式和自动模式，如见图 4。本设计基于物 联网技术的温室大棚环境监控的系统，主要实现对农作物的环境生长参数指标的监测， 并通过管理机制，实时改善农作物的最佳生长环境方案[5]。 图 4 系统技术框架图 4 客户端主控系统采集系统基于物联网的温室大棚监控系统显示温度显示湿度显示光照度补光灯设备报警设备排风扇设备温度传感器湿度传感器光强度传感器
    内江师范学院本科毕业论文（设计、创作） 3.2 系统组成和工作原理 3.2.1 系统组成 系统基于物联网体系架构，采用四层进行设计，分为感知层、控制层、网络层和应用 层四个部分。其中感知层由各类传感器组成，控制层由各类控制设备组成，网络层由 Wi- Fi 模块和 PC 机组成，应用层由客户端和控制平台组成[5]。整个项目的系统组成如见图 5。 图 5 系统组成 1) 感知层由各类传感器组成，包括温湿度传感器 DHT11、光照传感器 GY-30 组成， 主要用于采集环境的光照强度、温度和湿度。 2) 控制层由补光灯、排风扇和蜂鸣器组成，通过控制补光灯和排风扇来满足对温室 大棚的温湿度、光照强度等生长条件进行调控的需求，以及在环境参数发生异常 时，可以由蜂鸣器发出警报。 3) 网络层主要由 ESP8266 模组（Wi-Fi）、PC 等组成，采集的环境参数通过 ESP8266 模组发送给服务器，客户端与服务器相连，客户端可以从服务器获取环境参数， 同时客户端也可以向控制层发送控制命令[6]。 4) 应用层主要是客户端和控制平台，客户端的控制命令通过服务器，服务器再通过 ESP8266 发送到控制平台，完成对控制层设备的控制。 3.2.2 工作原理 基于物联网的温室大棚监控系统主要以基于 STM32F103VET6 微控制芯片为核心， 以 GY-30 为光照度采集单元，以 DHT11 作为温度和湿度的采集单元，用 ESP8266 模块 进行主从机之间的数据交互和通讯，使用 Qt 进行上位机的开发，使用 Ubuntu 搭建服务 器。实现对温室大棚的温度、湿度以及光照度的监测和对补光灯、排风扇以及蜂鸣器的 5 服务器ESP8266模组传感器控制设备Wi-Fi温度传感器湿度传感器光强度传感器补光灯排气扇报警设备客户端1客户端2……客户端n
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