基于物联网技术的智能种植系统设计与实现

摘要

自上世纪中叶起，西方发达国家陆续开展了种植相关技术的研究，并相继获取了利用计算机信息化技术监测、控制、管理植物种植过程的相关理论积累与技术成果，此后更是酝酿研制出更为先进的种植环境控制系统。在此基础上，随着近年来传感器技术的不断进步，将光照、温度、湿度、二氧化碳等植物所需种植环境的传感器节点与控制系统应用到现代化高水平种植行业中，已经成为了近年来农业信息化技术研究的重要方向。
　　我国居于世界农业大国地位，虽然随着我国改革开放的逐步深入，农村地区的种植技术得到了一定水平的提高，但与西方发达国家相比仍有较大差距，难以摆脱人力劳动强度大、资源集约化利用率低、化肥农药滥用等弊端。
　　为改变传统农业粗放种植的方式，解决当前我国农业种植行业面临的相关问题，在农业信息化发展的大背景下，研发一套基于物联网技术的旨在提高农产品种植效率、减少人力劳动管理成本、远程操作控制简便的智能种植系统，对提升当前农业种植领域科技水平具有广泛的实践价值。
　　本文设计并实现了一套基于物联网技术的智能种植系统，其不仅可以为阳台、露台、花园种菜的都市人群提供一种新型省时省力的种植方式，并还可应用于农产品企业大棚种植环境中，提高所种植农产品的精确控制和科学管理水平。
　　本系统主要功能如下:
　　(1)控制系统与外围设备控制。使用市面上被广泛应用于物联网技术的低成本51单片机控制系统和树莓派开发板多功能控制系统，并描述了单片机通过ⅠO接口、ⅡC总线、电磁继电器、USB摄像头等控制外围电路与电子设备。在此基础上，实现了联网远程控制单片机运行与数据存取的方法，包括局域网内配置服务器方法或远程WEB访问方法。
　　(2)系统模块设计与实现。通过光敏电阻、光强度传感器等方式监测实时光照强度并控制各种类植物生长补光灯实现植物生长对照明的需求;通过土壤与空气温度传感器获取当前种植环境水分含量，实现植物生长过程中的最适湿度保持;设计了系统运行过程中的太阳能供电模块与异常断电监测;通过温度传感器获取实地温度通过控制保温棚或地电热实现植物生长的温度恒定;通过二氧化碳传感器监测二氧化碳浓度实现植物种植过程中的二氧化碳补充。
　　(3)智能控制与拓展功能。在以上监测与控制设备基础上，运用物联网技术、WEB技术等方式，设计实现了异常状态判断、种植数据分析、用户邮件提醒与决策辅助、天气预测、种植数据分享、植物影像资料采集、用户交互等外围拓展功能。
　　本文最后总结了系统实现与运行情况，提出了笔者对智能种植行业发展的见解，归纳了当前研究的不足与未来研究方向的展望。

目录

声明

摘要

一、前言综述

1．1 应用背景与研究现状

1．2 研究意义与实际应用价值

1．3 研究目的

1．4 种植领域应用物联网技术的研究现状

1．5 本文研究内容及组织结构

1．6 本文主要创新点

二、需求分析

2．1 功能与性能分析

2．2 开发环境

(1)Keil与STC

(2)IDLE

(3)Prote

(4)网站WEB服务器架构

(5)阿里云服务

2．3 成本预测与市场前景

三、种植控制系统设计实现

3．1 低成本低功耗51单片机控制系统

3．2 树莓派与Raspbain操作系统

3．3 系统信息显示

(1)字符液晶显示屏1602显示信息

(2)点阵液晶显示屏12864显示信息

(3)通过HDMI接口连接显示器

3．4网络控制与远程登录

(1)远程登录方式

(2)WEB服务器方式

(3)云服务

3．5 外围设备模块控制

3．5．1 GPIO直接控制

3．5．2 电磁继电器间接控制高功率电器

3．5．3 IIC总线控制

3．6 使用摄像头

四、系统模块设计实现

4．1 光照模块设计实现

4．1．1 不同光谱对植物生长状态影响

4．1．2 常见蔬菜作物光照时间

4．1．3 光照强度监测

4．1．4 植物促生长LED灯补光实现

4．2 自动灌溉施肥模块设计实现

4．2．1 土壤湿度检测

4．2．2 浇水与土壤湿度补充模块设计

4．2．3 空气湿度检测与补充

4．2．4 有机肥的配置与补肥模块

4．2．5 肥料定时按需自动补给

4．3 供电模块设计实现

4．3．1 供电需求功耗分析

4．3．2 供电模块设计

4．3．3 断电监测

4．4 温度控制模块设计实现

4．4．1 土壤与空气温度检测

4．4．2 温度控制与保持

4．5 二氧化碳系统

4．5．1 二氧化碳检测

4．5．2 二氧化碳控制系统

五、智能拓展功能设计实现

5．1 种植数据智能分析、用户提醒与决策辅助

(1)基于SMTP协议的邮件提醒功能

(2)短信平台实时提醒功能

(3)决策辅助

5．2 种植数据图表展示与社会化分享

(1)种植数据展示

(2)网页社会化分享

5．3 种植天气预测--基于WEB的云天气预警机制

5．4 植物生长影像资料记录

5．5 植物生长模型构建

六、系统实现与运行

6．1 系统运行体系结构

6．1．1 系统运行架构

6．1．2 系统各模块运行流程

6．2 系统数据库表与系统运行数据

6．2．1 数据库配制与连接

6．2．2 数据库重要信息表

6．2．3 数据库表键值与关系视图

6．2．4 数据库存储优化

6．2．5 数据库备份

6．3 系统WEB服务器

6．3．1 WEB服务器配置

6．3．2 树莓派数据与WEB服务器连接

6．4 系统与用户交互界面

七、总结与展望

7．1 未来家庭与企业种植信息资源开发与利用

7．2 本文的局限性

7．3 全文总结

参考文献

附录

致谢

个人简历