基于物联网—太阳能综合智能农业温室系统设计说明

1、. . . 基于物联网太阳能的综合智能农业温室系统设计摘要：目前我国传统的农业温室供暖主要依靠煤炭、电力或者是秸秆等，成本高且污染严重，资源利用率较低。本文在研究中提出了物联网太阳能的综合智能农业温室系统，改变了以往被动式的太阳能温室，设计了太阳能光伏发电控制系统，以53C2440芯片为核心进行嵌入式网关平台设计，基于B/S模式，在网关平台上运用专家数据库数据同采集的数据，对电机控制代码进行编写设计。研究表明本系统在温度控制以与农作物生长环境起到很好的促进作用，并为全面实施智能化农业生产奠定基础。关键词：1 引言 目前，能源问题一直是我国各行业发展的瓶颈问题，新型能源的开发与利用是推进可持续发

2、展与农业温室设计的重要方案。在我国北方地区特别是农业温室需求较大的地区，每年中光照时间达到15个小时的天数占到了全年的1/5，发电效率相对较高，所以在北方的地区反而有更好的太阳能发电的潜力。在温室的研究方面，国外有着较为先进的研究，且起步较早。特别是欧洲地区的荷兰在设施园艺方面，温室的设计一直处于世界领先的地位，并且开发了一些列可以检测室外温度以与湿度的系统，对光照的强度进行计算，从而让温室保证温度的均衡，并且管理者可以在远程通过登录到系统进行温度查看与控制，且当温室温度发生异常时系统可以自动报警，避免损失的发生。而Yoo等在具体的研究中实现了基于IEEE 802.15.4标准协议的无线传感器

3、网络的温室大棚，这一类大棚在实际的作物种植中主要是进行大白菜以与甜瓜的种植。在这一系统设计中主要设置有25个传感器节点，3个路由节以与l个控制执行节点，从而逐步的实现了对大棚中温度的合理控制。LEA-cox等在具体的研究中研发了一种温室大棚监控无线传感器网络系统在这一系统中将多种不同的传感器进行了集成，对 农作物的水、温度、电导率、每天光合辐射和叶片湿度进行实时的测量，利用这一手段大大提升了农作物的生长环境，并进一步减少了因为灌溉过度而导致的相关疾病。而以色列因为自身环境的特殊，在处理中研发了利用太阳能进行温室控制的手段，利用PC机来进行环境数据的采集，从而实现了人工管理与自动控制的结合，提高

4、了温室管理效率。在对上述文献进行综合分析中，不同地区植物种植情况不同，许多经验无法适应我国的农业发展。在此次论文的研究中，依据我国不同地区的实际情况利用物联网太阳能综合智能农业温室系统来进行适合我国农业发展的温室控制系统，并将这一技术进行推广与应用。2 研究方法2.1参数控制方法在进行物联网太阳能综合智能农业温室系统的设计中，首先需要对温度控制进行有关的研究。研究发现温度对于农作物的生字有着明显的作用。在农作物刚刚开始生长的过程中，农作物的叶子不断的长大，而叶子的生长则直接的受到温度的制约，在这一过程中需要保持温室有一个相对较高的温度，从而让叶子可以快速的生长，进而加剧叶面生长的速度高于同作用

5、。而在农作物的生长到达中后期时，农作物的叶子基本已经生长到了最大值，农作物的产量则直接的受单位面积的纯粹通话率来决定的，此时应该对温室的温度进行适当的降低，从而进一步的提升净光合作用产物的积攒，并且在这一过程中，如果温室气中的湿度到达一定的界值，那么其中的许多水汽便会与植物的叶子相结合，从而在叶子上凝结成露珠。而一旦叶子上的露珠过多，则会导致叶子上的细菌过多，从而极容易引起各类的疾病，所以在实际的研究与设计中，需要保证温室中的温度以与湿度，只有将这两者调节好，才可以最大程度促进农作物的生长。而不同的农作物在生长的过程中对温度以与湿度的要求不同，一般而言，相对湿度需要保持在50%与80%之间才可

6、以全面促进各类农作物的生长，其具体的温度三基点如下图所示：Figure 1 approximate range of three base points for plant growth2.2系统控制方法温室大棚其属于一个较为封闭的环境，总体而言有着极好的封闭性，这也直接的带来了大棚温度过高的弊端，所以在系统的设计中，最为重要的环节便是通风的设计，通风在实际的温室系统控制中有着重要的地位，可以直接的对温室的温度进行调节，并且在通风的过程中还可以为植物生长提供足够的二氧化碳，加速光合作用，同时进行积极的通风还可以降低周围的温度，避免植物因为温度过高而导致黄叶子甚至是整棵植物的枯萎，所以通风对于温

7、室农作物的生长有着重要的作用，在进行温室系统方法研究风是其中的重要环节，合理的通风可以促进农作物的生长，提高光合作用的效率。目前温室大棚在通风方面的特点如下所示：Table 1 ventilation methods in traditional greenhousesTraditional ventilationCharacteristicNatural draftThe use of hot and cold air convection in the phenomenon of cooling and ventilationForced ventilationThe use of fan

8、s to increase ventilation to facilitate cooling or ventilation而除了通风对植物的影响，光照也对其产生了极为重要的影响。在研究中看到，不同颜色的光线对植物的生长有着不同的影响与作用，比如蓝色光有利于农作物叶子的生长，而红色的光则对植物的开花以与结果产生着重要的作用，对于温室中的光线而言，灯光的温度以与颜色是人类的眼睛所捕捉到的信息，但是对于农作物而言不同颜色的光线对于植物而言其作用却是巨大的。植物在光合作用的过程中可以利用不同光线的波长获取不同的光合效果，从而促进生长。具体的红蓝光对农作物的影响如下表所示：Table 2 wavele

9、ngth and function of red and blue lightColor distribution regionWavelength rangeEffectRed610-720nmPromote photosynthesis and accelerate the synthesis of carbohydratesBlue400-520nmPromote the formation of a variety of pigment, enhanced plant phototaxis and protein accumulation3 讨论与分析3.1系统软件总体框架设计研究在系

10、统开发环境的设计中，研究将环境搭建进一步的分成了两个部分，分别是底层和上层。底层在设计的过程中需要交叉编译工具链进行搭配建立，对bootloader引导启动程序的移植、kernel核的配置与编译，和YAFFS根文件的制作起到了极为重要的作用。在进一步的设计过程中，首先需要在PC机安装一个VM10的虚拟机，对redhat6.5操作系统进行整体的安装。ARM终端也是设计中的重要组成部分，其在功能方面主要是用来实现数据的综合分析处理，在整个系统中主要于CC2530协调器进行数据之间的交换处理，将所涉与的数据分别保存到sqlite数据库中，从而将整个系统实现与浏览器之间的交互。Figure 2 ove

11、rall block diagram of data processing3.2嵌入式Linux系统的移植研究Linux系统在实际的设计与使用中，其自身有着较为精简的核指令集合，可以在系统的设计中发挥出硬件的功能，并且在温度调节的环节，可以根据农作物生长的实际需要对许多没用的功能进行自动的调节，并且进一步的在全面提升系统执行效率的过程中进一步的减少系统的开支，并且将这一个系统可以安放在53C2440AA处理器，使其可以正常的运行。 由于在有关的设计中，嵌入式系统程序主要是在PC机上进行有关的编辑以与编译，程序在设计的过程中，在53c2440A上往往难以得到有效的运行结果，这两者在是基地程序编译

12、运行中，其运行环境是在不同的设备上进行的，所有普通的PC程序其开发过程与相关的开发过程存在着一定的差异，在这一环境下，则要求在进行物联网太阳能的综合智能农业温室系统实际中必须搭建一个基于ARM道德嵌入式编译环境，而在这一环节中则主要是对三个方面进行综合的管理与设计。 首先，需要在PC机上进行linux操作系统的安装，为整个设计奠定基础。其次，需要对PC机基本服务(NFS)和minicom进行正确的安装与配置，进一步的配置环境。而在最后一个环节中，则主要是进行程序的编译，这一过程主要是在PC上完成的，gcc编译完成的二进制程序其主要的应用环境是在forX86平台下的，而不是for ARM的，所以

13、这一个系统无法在ARM的平台上进行设计，所以便需要进一步的进行arm-linux-gcc编辑for ARM的二进制程序。而嵌入式linux系统在移植的过程中主要可以分为四个部分来进行有关的设计操作，首先，需要对bootioder进行开发与研究，其主要目的是为了进一步的引导整个系统来进行程序的启动，其次实现对kernel进行配置和移植。另外，也需要进一步的实现对核的控制以与设备的相关管理，在最后一个部分，则是实现系统级别的文件管理，以与QT界面的开发与设计。其整体的软件架构图如下所示：Figure 3 Migration steps Process3.3linux核的定制研究编译嵌入式的linu

14、x核在设计的过程中利用了makefile对系统中所涉与的许多配置文件进行关联与编译，因为在实际的核里，目录结构之间存在着差异的makefile程序所关联依赖都存着很大的差异，但是在这些存在着差异的makefile里面又存在着许多的部关联，在实际的设计过程中，核的配置主要可以通过两个步骤来进行。其主要的核设计如下图所示：Figure 4 linux kernel subsystem 在系统设计的核配置部分，53C2440A是一种基于1386的处理器架构，并且在实际的系统中，其部主要可以支持三种不同配置的操作指令，虽然在进行处理的过程中界面操作之间存在着一定的差异，但是最终的效果是一致的，都是在运

15、算的过程过提起.config文件来执行相关的操作。在这一环节中，其主要的三种处理方式如下所示：Makefile:在实际的设计操作中，这一处理方法是对文件进行控制编译从而实现设计的目的。 .config:这一种处理方式主要是对核中的信息进行配置与保存，并且对其中哪些功能可以选择，那些功能必须放弃，或者是哪一部分信息需要进行编译成模块来进行综合的处理。Kconfig:这一处理方法在实际的工作中，主要是对make menuconfig中所显示的配置菜单项的容进行控制。3.4 QT界面设计研究QT主要是一个图像界面库，整个系统中有着一个完整的C+程序开发框架。QT类库封装了适应了不同的操作系统的详细的

16、访问细节，其API所处的各方面的平台都是一致的，在用QT应用应用程序进行有关的系统开发时可以在最大程度上忽略平台的限制。并且在开发的过程中，QT在提供的过程中主要是通过开发包的形式进行提供，其中主要包括了图形设计器、makefile工具、字体国家化工具等，并且这些功能都可以依据实际的需要进行裁剪 QT界面在设计的过程中，其主要通过信号与槽的机制来进行窗口部件以与任何的对象进行相关的通讯，并且在通讯的过程中，这一设计主要是通过继承的方式来进行信号的增添，而槽则是指一个可以被调用并以此来实现对相关特定信号进行规化处理的一个函数，利用这一机制可以充分地确保一个信号与一个槽进行合理的连接，而槽则可以在

17、正确的时间使用信号的参数而被调用。由于QT4.5置了可以用来实现本地应用程序以与网络进行相关的通信webkit引擎，OBJECT和JSP都让彼此之间实现交互的功能，并且在实际的语言选择中选择中，以JSP为最基础的脚本语言。而在类的设定中，则主要通过javascriPt和QwebFrame()进行有关的数据绑定，使整个系统可以利用index.html来实现对、QwebFrame()建立的槽函数的直接调用。在移植了QT4.5库之后，需要在QT CREATER的编译环境下进行程序的编写，并进一步的通过NFS移植到相关的板中的/OPT/qt4.5文件中。而在下一步中，则直接的在PC机上进行有关的设计，

18、进一步的绘制了QT主界面，进一步用控件以与代码来对程序继续进行编写。 而另一方面，在有关于ARM板子的数据分析中，我们可以看到整个ARM的板子资源在实际的使用中并不能完全的满足设计的需求，并且也无法外接挂载外置的硬盘，而即使像my SQL移植也需要一百多兆，如果继续放置在小存板中，所以在具体的设计中，板子的选择过程中主要选择了部分小型的、复杂性相对较低的开源的Sqlite数据库，利用这一板子进行开发设计可以利用极小的体积，实现较高的效率处理，在检索的过程中其效率相比于其他的数据库也快了不少，同时系统的开销也相对较小，从而方便了API接口的使用，在此次的温室农业智能化设计中对Sqllite3.6

19、.23.1移植到了开发板上，并且利用wenshi.db对其中部的表进行了全面的创建以与添加和搜索。在系统执行一个SQL语句时，接口程序将这一个SQL字符串传递给标记解析器，而标记解析器则将所接受到的每一个字符串分成一个个单独的标识符，并且将这些标识符传递给剖析器，剖析器在工作的过程中进一步的将这些标识的信息进行筛选与组合，其中具体的温度分析表如下所示：Table 3 temperature database tableChinese nameSensoridIDTempDateTimedata typeIs it critical? Function descriptionIntYNode n

20、umberIntYData numberFloatNTemperature valueVarcharNDateVarcharNTime4 结论此次物联网太阳能综合智能农业温室系统设计过程中主要采用了LED补光灯对温室进行补光控制，并且在整个温室大棚的顶层进行太阳能电池板的铺设，通过控制器与蓄电池来对LED等分时段供电，从而为农作物的生长提供最佳的生存环境。并且通过这一手段提高了光合作用的利用率。在实际的控制方面，进一步的选用53C2440核心处理芯片来作为整个系统的控制核心，对实际的温室控制中可能出现各类状况对硬件电路进行总体的处理与定制，裁剪了嵌入式系统，为整个系统量身打造了操作简单且相对更

21、为纯净的人机操作界面，可以让管理者在远程对整个系统进行控制与管理，在整个的系统设计中，对每一个的模块都进行了综合的处理与设计，通过大量的兼容性实验，让人们更好的了解到这一个系统中存在问题。利用这一个系统可以实现对整个温室的控制与监测，让各类的农作物有一个合理的生产环境，从而推动温室的设计与发展。参考文献1 Yano A, Onoe M, Nakata J. Prototype semi-transparent photovoltaic modules for greenhouse roof applicationsJ. Biosystems Engineering, 2014, 122(3):

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23、ultural greenhousesJ. Energy Efficiency, 2016, 9(6):1241-1255.4 Cossu M, Yano A, Li Z, et al. Advances on the semi-transparent modules based on micro solar cells: First integration in a greenhouse systemJ. Applied Energy, 2016, 162:1042-1051.5 Ronay K, Dumitru C D. Hydroponic Greenhouse Energy Supply Based on Renewable Energy Sources J. Procedia Technology, 2015, 19:703-707.6 Li Y, Shi R. An intelligent solar energy-harvesting system for wireless sensor networksJ.