智能農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)文檔一、項(xiàng)目概述隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，傳統(tǒng)溫室依賴人工巡檢的監(jiān)測(cè)模式已難以滿足精準(zhǔn)種植需求。智能農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過整合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信與智能控制算法，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境參數(shù)（溫濕度、光照、CO?濃度等）的實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動(dòng)調(diào)控，助力種植戶降低人力成本、提升作物產(chǎn)量與品質(zhì)。本系統(tǒng)針對(duì)日光溫室、連棟溫室等場(chǎng)景設(shè)計(jì)，核心目標(biāo)為：實(shí)時(shí)感知溫室微環(huán)境，替代人工巡檢的低效與誤差；基于環(huán)境數(shù)據(jù)自動(dòng)觸發(fā)設(shè)備控制（如通風(fēng)、灌溉），減少人為干預(yù)；建立環(huán)境-作物生長(zhǎng)關(guān)聯(lián)模型，為種植決策提供數(shù)據(jù)支撐。二、需求分析（一）功能需求1.環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)：采集溫濕度、光照強(qiáng)度、CO?濃度、土壤墑情等數(shù)據(jù)，采樣頻率支持1~10分鐘級(jí)配置，滿足不同作物生長(zhǎng)階段的監(jiān)測(cè)精度需求。2.數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)：通過無線/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云端，支持歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)（≥1年），并提供多維度查詢（按時(shí)間、溫室編號(hào)、參數(shù)類型）。3.遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制：用戶通過Web端/移動(dòng)端查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史曲線，遠(yuǎn)程控制卷簾、風(fēng)機(jī)、灌溉等設(shè)備，支持“手動(dòng)控制+自動(dòng)策略”雙模式。4.預(yù)警與報(bào)警：當(dāng)參數(shù)超出閾值（如溫度＞35℃、濕度＜40%RH）時(shí)，通過短信、App推送、聲光報(bào)警等方式通知管理人員，支持多級(jí)閾值（預(yù)警/告警）配置。（二）非功能需求1.可靠性：系統(tǒng)7×24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，傳感器故障時(shí)自動(dòng)檢測(cè)并告警，數(shù)據(jù)傳輸丟包率≤1%。2.實(shí)時(shí)性：數(shù)據(jù)采集延遲≤5秒，控制指令響應(yīng)≤2秒，滿足作物環(huán)境突變時(shí)的快速調(diào)控需求。3.可擴(kuò)展性：支持新增傳感器（如土壤EC、葉面濕度）、擴(kuò)展溫室數(shù)量（從單棚到百棚級(jí)集群），硬件/軟件模塊支持“即插即用”。4.易用性：操作界面簡(jiǎn)潔，支持多用戶權(quán)限管理（管理員/操作員/訪客），降低種植戶學(xué)習(xí)成本。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）總體架構(gòu)系統(tǒng)采用“感知層-網(wǎng)絡(luò)層-應(yīng)用層”三層架構(gòu)，各層功能與技術(shù)選型如下：層級(jí)組成模塊核心技術(shù)/設(shè)備功能描述--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------感知層傳感器、執(zhí)行器SHT30（溫濕度）、BH1750（光照）、MH-Z19（CO?）、繼電器模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)，執(zhí)行通風(fēng)、灌溉等控制指令網(wǎng)絡(luò)層本地通信+遠(yuǎn)程通信LoRa（本地）、4G（遠(yuǎn)程）實(shí)現(xiàn)傳感器與控制器的短距離組網(wǎng)，及數(shù)據(jù)向云端的遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用層云端服務(wù)器、用戶終端SpringBoot（后端）、Vue（前端）、MySQL（數(shù)據(jù)庫(kù)）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、可視化，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制界面（二）硬件設(shè)計(jì)1.傳感器選型與部署溫濕度：選用SHT30傳感器，精度±0.3℃/±2%RH，I2C接口，部署于作物冠層上方20cm處（避免陽光直射）。光照強(qiáng)度：BH1750傳感器，量程0~____lx，I2C接口，部署于溫室頂部（無遮擋區(qū)域）。CO?濃度：MH-Z19傳感器，量程0~5000ppm，UART接口，部署于通風(fēng)口對(duì)面（確保空氣流通）。土壤墑情：FC-28電阻式傳感器，埋入種植行10~15cm深度，避免損傷根系，監(jiān)測(cè)土壤含水率變化。2.控制器設(shè)計(jì)核心控制器采用STM32F103RCT6（ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz），通過RS485總線擴(kuò)展16路繼電器模塊，控制卷簾、風(fēng)機(jī)、灌溉等設(shè)備?？刂破鲀?nèi)置看門狗，防止程序跑飛，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。3.通信模塊本地通信：采用LoRa模塊（SX1278），傳輸距離≥1km，穿透性強(qiáng)，適合溫室群傳感器組網(wǎng)，支持電池供電（低功耗模式下續(xù)航≥6個(gè)月）。遠(yuǎn)程通信：4G模塊（SIM800C），支持全網(wǎng)通，在無WiFi覆蓋的農(nóng)田區(qū)域穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，搭配外置天線增強(qiáng)信號(hào)。（三）軟件設(shè)計(jì)1.嵌入式軟件（控制器端）基于FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將功能拆分為獨(dú)立任務(wù)：數(shù)據(jù)采集任務(wù)：定時(shí)（1分鐘）讀取傳感器數(shù)據(jù)，通過中值濾波去除異常值，存儲(chǔ)于本地緩沖區(qū)。通信任務(wù)：將數(shù)據(jù)以JSON格式通過LoRa/4G發(fā)送至云端，同時(shí)接收控制指令（如“開啟風(fēng)機(jī)30分鐘”），解析后驅(qū)動(dòng)繼電器?？刂七壿嫞簝?nèi)置PID算法，如溫度＞30℃時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（或卷簾開度），避免設(shè)備頻繁啟停。2.服務(wù)端軟件采用SpringBoot+MySQL架構(gòu)，部署于阿里云ECS服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理：接收設(shè)備上傳的JSON數(shù)據(jù)，解析后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗（剔除超出傳感器量程的異常值）、聚合（按小時(shí)/天生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表）。預(yù)警模塊：每5分鐘查詢最新數(shù)據(jù)，與閾值（Web端可配置）對(duì)比，觸發(fā)報(bào)警時(shí)調(diào)用短信API（如阿里云短信服務(wù)）或App推送。API接口：提供設(shè)備管理（注冊(cè)、在線狀態(tài)）、數(shù)據(jù)查詢（歷史曲線、統(tǒng)計(jì)報(bào)表）、控制指令下發(fā)等RESTful接口，供Web和App調(diào)用。3.客戶端軟件（Web端）基于Vue.js+ECharts實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化：實(shí)時(shí)監(jiān)控：多溫室數(shù)據(jù)卡片，顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)，點(diǎn)擊進(jìn)入詳情頁查看歷史曲線（如溫濕度24小時(shí)趨勢(shì)）。遠(yuǎn)程控制：設(shè)備控制面板，支持手動(dòng)開關(guān)卷簾、風(fēng)機(jī)，或設(shè)置自動(dòng)控制策略（如“溫度＞35℃時(shí)自動(dòng)開風(fēng)機(jī)”）。數(shù)據(jù)報(bào)表：按日/周/月生成環(huán)境參數(shù)報(bào)表，支持導(dǎo)出Excel，輔助種植戶分析作物生長(zhǎng)與環(huán)境的關(guān)聯(lián)。四、系統(tǒng)測(cè)試與優(yōu)化（一）硬件測(cè)試1.傳感器校準(zhǔn)：在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境箱中對(duì)比SHT30與高精度溫濕度計(jì)，誤差超過0.5℃/3%RH時(shí)重新校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。2.通信穩(wěn)定性：部署20個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)，連續(xù)傳輸24小時(shí)，統(tǒng)計(jì)丟包率（要求≤1%）；在溫室角落測(cè)試4G模塊，確保弱信號(hào)下數(shù)據(jù)正常上傳。（二）軟件測(cè)試1.功能測(cè)試：模擬傳感器故障（斷開SHT30），驗(yàn)證“傳感器離線”告警；修改數(shù)據(jù)庫(kù)閾值，測(cè)試預(yù)警功能是否觸發(fā)。2.性能測(cè)試：模擬100個(gè)溫室同時(shí)上傳數(shù)據(jù)，測(cè)試服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間（≤1秒）和數(shù)據(jù)庫(kù)寫入速度（≥1000條/秒）。3.安全測(cè)試：對(duì)API接口進(jìn)行滲透測(cè)試，修復(fù)SQL注入、未授權(quán)訪問等漏洞，確保數(shù)據(jù)安全。（三）聯(lián)調(diào)測(cè)試在真實(shí)溫室環(huán)境中，通過App遠(yuǎn)程控制卷簾，觀察光照強(qiáng)度、溫度的變化（如卷簾打開后光照上升、溫度下降），驗(yàn)證系統(tǒng)閉環(huán)控制邏輯。邀請(qǐng)種植戶試用，收集反饋（如操作流程是否簡(jiǎn)潔、預(yù)警是否及時(shí)），優(yōu)化界面布局與交互邏輯。五、部署與維護(hù)（一）現(xiàn)場(chǎng)部署1.傳感器安裝：溫濕度傳感器懸掛于作物冠層上方20cm，CO?傳感器部署于通風(fēng)口對(duì)面，土壤墑情傳感器埋入種植行10~15cm深度。2.控制器部署：安裝于溫室配電箱附近，做好防水、防塵處理，通過導(dǎo)軌固定，方便接線與維護(hù)。3.網(wǎng)絡(luò)配置：LoRa網(wǎng)關(guān)放置于溫室群中心，確保信號(hào)覆蓋所有節(jié)點(diǎn)；4G模塊插入物聯(lián)網(wǎng)卡，自動(dòng)連接運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。（二）系統(tǒng)維護(hù)1.定期校準(zhǔn)：每季度對(duì)傳感器校準(zhǔn)一次，每年檢查執(zhí)行器（繼電器、電機(jī)）狀態(tài)，更換老化部件。3.故障排查：建立故障手冊(cè)，如數(shù)據(jù)不更新時(shí)，先檢查傳感器電源/通信線路，再排查服務(wù)器接口，快速定位問題。六、未來展望1.智能化升級(jí)：引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于歷史環(huán)境數(shù)據(jù)與作物生長(zhǎng)周期，預(yù)測(cè)最佳環(huán)境參數(shù)（如番茄結(jié)果期的溫濕度閾值），實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)控。2.多溫室協(xié)同：構(gòu)建區(qū)域級(jí)溫室監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，整合氣象站