【苏州工学院本科毕业论文】基于云-边-端协同物联网架构的智慧农业监测与控制系统设计与实现

注仅展示部分文档内容和系统截图需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。学生的技术与实现摘 要在农业现代化和物联网技术深度融合发展的情况下传统的农业监测存在着数据孤岛化、控制滞后、人工干预成本高这些状况不能满足精准农业对于环境动态调节的要求。因此本文设计并实现了一个基于云、边、端协同物联网架构的智慧农业监测与控制系统用多传感器融合和边缘计算技术来创建一个包含数据采集、智能决策、远程控制的闭环管理系统以达到对农业大棚环境参数的实时感知以及自动控制的目的。关键词云-边-端协同 智慧农业 监测与控制 温度监控 土壤湿度检测1.1 研究背景随着全球人口的不断增长对农产品的需求量越来越大传统的农业模式也面临着资源利用率低、生产受自然环境的影响大等种种问题。智慧农业属于现代农业发展的高级阶段借助物联网、大数据、云计算等技术可以对农业生产环境实施精准监测、智能控制进而提升农业生产效率、质量。1.2 研究现状国内对于基于云-边-端协同物联网架构的智慧农业监测和控制系统的设计起步较晚但是近些年来由于物联网、云计算、大数据等技术的发展相关的研究也越来越多技术也越来越成熟。陈维榕在2024年开发了基于云-边-端协同技术的水肥一体化控制系统他建立了“云-边-端”三级网络架构结合模糊控制、模型控制和优化控制策略实现了对土壤水分传感器、水泵、施肥泵等设施设备的集中智慧管控。2.1系统架构设计云-边-端架构是一种把计算能力分层部署的现代系统设计。云端服务器是远端的云计算中心它主要是负责全局性、非实时的大事件。边侧则是部署在靠近数据源头的边缘节点它主要负责区域性的实时响应任务。端侧是最前端的各种设备它则负责感知和初步处理。云-边-端三者协调共同处理数据。2.1.1主控模块方案方案一51微控制器是和英特尔8051芯片相匹配的一种MCU的总称。该类微控制器采用8位CPU内核可以完成各种命令的功能另外51微控制器有一个4KB左右的内存空间主要用来存放程序编码。2.1.2显示模块方案方案一为有机发光二极管显示器OLEDOLEDs具有高颜色饱和度、高反差、低能耗、快速响应等特点是新的显示技术。2.1.3温度检测模块方案DS18B20是美国美信公司生产的单总线1-Wire数字温度传感器用单总线的方式。它可以将温度感受、模数转换和数据保存功能整合在一起可以直接输出数字温度值不需要外接ADC转换电路。2.1.4 土壤湿度检测模块方案LY-69传感器响应速度快可以及时反映土壤湿度的变化使系统可以迅速做出反应来应对环境的变化达到对土壤湿度精确控制的目的。另外由于该系统采用的是云边端协同物联网架构并且成本比较低在保证整个系统的各项功能得到满足的前提下可以有效地降低开发这个系统所需要的总体成本。2.1.5 通信模块方案方案一使用ESP8266芯片为核心的无线网络控制系统该系统结构紧凑可以和以STM32为核心的基于云、边、端协同物联网架构的智慧农业监测与控制系统结合起来。使用802.11b/g/n等不同的网络传输方式通讯性能好。使用AT命令集STM32可以方便地实现无线局域网接入、与云平台的数据交换、环境信息上传、遥控命令接收等功能。2.1.6 光敏电阻模块方案光敏电阻是依靠内光电效应工作的半导体器件它的工作原理就是随着入射光强度的增大电阻值也会随之减小。暗光下光敏电阻阻值可达到兆欧级在强光下光敏电阻阻值可降低到千欧甚至百欧级具有这样的阻值变化范围它成了光照强度检测的理想器件。常用的光敏电阻有GL5516、GL5528、GL5537等系列其中GL5516在标准光照10Lux下阻值为510kΩ暗阻值高达0.5MΩ响应时间约20ms工作温度范围为-30℃70℃被用作路灯自动控制、相机自动曝光、电子玩具等场合的传感器。3.1主控模块设计以STM32F103C8T6为主硬件对基于云-边-端协同物联网架构的智慧农业监测与控制系统进行数据处理、逻辑判断、发出各种控制命令。该系统采集各个传感器的数据对数据进行分析和处理根据设定好的参数来判断是否需要启动保护装置对水泵、照明等设备进行智能调节同时与云端进行数据交换。3.2 OLED显示模块设计OLED显示器可以对温度、湿度、光照强度、通风状况、预设温湿度等外界各种状态进行实时显示。该系统可以将各种资料以可视化的方式呈现给农民使农民能更好的了解温室内部的环境状况。3.3温度检测模块设计该电路的主要功能就是完成高精度的数字温度采集。DS18B20依靠内部半导体PN结感受温度改变经由片内ADC转换成数字量之后再经由单总线协议把温度数据发送给单片机不需要另外的信号调理电路。4.1 主程序设计STM32F103C8T6主控芯片启动之后首先会对系统时钟进行配置对各个GPIO引脚的功能进行设置保证芯片可以正常工作。接着依次初始化各个外设模块OLED显示模块可以清楚地显示出数据ESP826601S WIFI模块和MQTT服务器建立连接为数据上传做准备土壤温湿度传感器、光敏电阻、DS18B20温度传感器、WATERSENSOR水位传感器、MQ135二氧化碳传感器设置工作模式和数据读取方式保证能够准确采集大棚环境数据水泵模块、LED灯、蜂鸣器、TB6612驱动模块、直流电机通风模块初始化完成为后续控制操作做好铺垫。4.2 OLED显示程序设计OLED显示器用来实时显示温室内部各种环境和设备的状态。启动该软件时需要对OLED屏幕进行初始化其中包含显示方式、对比度等一些设置。主循环用收集到的信息和系统运行情况来确定展示内容。以当前的温度、湿度、光照强度、土壤湿度等环境参数与事先设置好的温湿度阈值、系统工作方式等信息为基础根据一定的格式将其组合成文本阵列。接着使用 I。C通讯协议给OLED屏幕发送一系列文字来显示。显示时可以设置显示位置、字体大小等来改善显示效果和易读性。在此基础上对温室内部各种环境因素及运行情况实施动态调节从而实现农民对温室环境的及时掌握。5.1 系统测试环境与方案设计为了对基于云-边-端协同物联网架构的智慧农业监测与控制系统进行全方位的检验本章设计出一个完整的系统测试方案。测试环境搭建在室内模拟大棚中环境温度控制在20-30℃之间相对湿度保持在50%-70%之间光照条件用可调光源模拟控制。测试平台主要由STM32F103C8T6主控芯片核心板、0.96英寸OLED显示模块、ESP8266-01S WiFi模块、土壤温湿度传感器、光敏电阻、DS18B20数字温度传感器、水位传感器、MQ135二氧化碳检测模块、小型水泵、LED补光灯、有源蜂鸣器、TB6612电机驱动模块和直流电组成。5.2 传感器数据采集与精度测试传感器数据采集的准确性是整个监控系统实现精准农业控制的前提本小节对系统中使用到的各种传感器进行了精度对比测试。在干燥土壤、湿润土壤、饱和土壤三种情况下分别用本系统测得的湿度值与高精度手持式土壤湿度计进行比较。参考文献陈维榕, 李莉婕, 赵泽英. 基于云边端协同技术的水肥一体化控制系统开发与应用[J]. 农技服务, 2024, 41(11): 58-63.王磊, 刘洋. 云边协同计算在农业物联网中的应用研究[J]. 计算机工程与应用, 2021, 57(8): 45-52.Atzori L, Iera A, Morabito G. The Internet of Things: A survey[J]. Computer Networks, 2010, 54(15): 2787-2805.Shi W, Cao J, Zhang Q, et al. Edge computing: Vision and challenges[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2016, 3(5): 637-646.黄伟, 周静. 农业物联网中云边协同任务调度优化研究[J]. 计算机研究与发展, 2023, 60(4): 210-220.陈静, 刘志昊. 云-边-端协同架构下的智能农业控制系统[J]. 计算机科学, 2021, 48(6): 234-240.注仅展示部分文档内容和系统截图需要完整的视频、代码、文章和安装调试环境请私信up主。