智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可視化操作平臺設計

引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)發(fā)展也逐步走向智能化控制道路 [1,2]。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要通過空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度等傳感器采集大量的環(huán)境數(shù)據(jù)，再利用無線傳感網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，完成灌溉、通風、加溫、補光系統(tǒng)的自動控制[3,4]。該系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)作物不同的生長周期進行不同的環(huán)境控制，可極大程度上增加農(nóng)作物產(chǎn)量，降低人力成本。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一般分為智能網(wǎng)關、無線傳感網(wǎng)、自動控制設備三個部分。

智能網(wǎng)關是整個智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的樞紐，包括數(shù)據(jù)處理、用戶自定義控制、數(shù)據(jù)上發(fā)和無線傳感網(wǎng)組建等重要功能。對各環(huán)境采樣點采集到的光照強度、溫濕度等信息進行錄入和分析，經(jīng)軟件分析處理后執(zhí)行相應的管理決策。自動控制設備的運行狀態(tài)也可以通過智能網(wǎng)關進行配置和管理。為了方便用戶操作，在智能網(wǎng)關上還需設計一個友好的嵌入式人機交互界面。用戶可以通過該操作界面對每個控制系統(tǒng)進行控制，以達到靈活運用的效果，在最大程度上智能控制各執(zhí)行器， 達到高效節(jié)能的目的。

1 智能網(wǎng)關總體設計

智能網(wǎng)關是整個系統(tǒng)的核心，主要由STM32F103ZET6 處理器[5,6]、TFT 觸摸顯示屏、藍牙模塊和CC2530 構(gòu)成，處理器自身帶有 512 K 的Flash。數(shù)據(jù)存儲方面采用SD 卡。用戶能方便的將智能網(wǎng)關存儲的各項傳感器數(shù)據(jù)調(diào)用查看。智能網(wǎng)關供電方式為電池供電和外接電源共用，電池一次充電可使用一周，此舉減少了為智能網(wǎng)關供電的煩惱。操作系統(tǒng)采用μC/OS-II 嵌入式實時操作系統(tǒng)，移植 UCGUI 圖形支持系統(tǒng)開發(fā)UI 界面 [7]，并增加存儲設備SD 卡驅(qū)動程序和一些外圍硬件的驅(qū)動支持，完成智能網(wǎng)關系統(tǒng)設計。智能網(wǎng)關系統(tǒng)程序流程圖如圖 1 所示。

2 串口程序設計

串口程序主要用來接收智能網(wǎng)關發(fā)送的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到智能網(wǎng)關。先由一個硬件串口連接智能網(wǎng)關，設置各項串口參數(shù)，通過寫入函數(shù)傳送到軟件內(nèi)的接收函數(shù)，解析處理數(shù)據(jù)。其串口接收程序如圖 2所示。

3 顯示程序設計

顯示模塊顯示傳感器接收到的溫度、空氣濕度、光照度、土壤濕度等信息。同時監(jiān)控所收到的信息是否達到報警數(shù)據(jù)， 并判斷是否發(fā)出警報。網(wǎng)關接收串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并通過公式節(jié)點判斷后將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口和字符串轉(zhuǎn)換器拆解出溫度、濕度等數(shù)據(jù)。用十進制的方式顯示在儀表盤上，同時也加入一個比較函數(shù)，設定一個最高溫度、濕度等，判斷各項數(shù)值是否達到報警值，并將數(shù)值存入一個數(shù)組中。其顯示程序設計如圖 3 所示。

4 控制程序設計

 4.1 自動控制程序 

自動控制程序先設置各項閾值，再根據(jù)串口接收到的智 能網(wǎng)關的各項數(shù)據(jù)判斷是否存在異常，如果沒有異常，不做處 理；若有異常，串口發(fā)送相應的控制指令，進行各項控制調(diào)節(jié)。 自動控制程序如圖 4（a）所示。 

4.2 手動控制程序 

手動控制程序根據(jù)顯示程序所顯示的各項數(shù)據(jù)進行自我 判斷，若數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則進行調(diào)整，由串口發(fā)送數(shù)據(jù)到智能 網(wǎng)關，進行開關的開和關，使各項數(shù)據(jù)能穩(wěn)定于正常范圍內(nèi)。 手動控制程序通過手動按下按鍵發(fā)送相應的數(shù)值到下位機， 以控制硬件設備。手動程序結(jié)構(gòu)如圖 4（b）所示。

5 操作界面設計

利用 G 語言在 LabVIEW 軟件中寫出智能網(wǎng)關控制水泵、 風扇、補光燈、加熱等設備的程序，并對界面進行適當美化。 LabVIEW 自帶很多界面美化工具，通過更改按鈕圖標，選擇 合適的 png 圖片替換便可修改系統(tǒng)自帶的按鈕。整體界面如 圖 5 所示。

6 結(jié) 語

本文設計的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)操作平臺將灌溉、通風、補光、加熱的自動控制呈現(xiàn)在一個終端上，用戶足不出戶即可通過該操作平臺遠程管理農(nóng)田，很大程度上減少了勞動量，節(jié)約了物力人力。在設計中，上位機還存在諸多不足，需要在今后的工作中不斷完善。