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摘要：针对农业大棚生产管理效率较低，大棚内环境监测和控制自动化低等问题，本文提出了一个基于消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议的小型智慧农业大棚一体化系统。该系统采用STM32F103C8T6微控制器作为主控，结合空气温湿度传感器、光照传感器、土壤温湿度传感器等设备实现对农业大棚内环境数据的采集，设计了光照控制模块、恒温控制模块和灌溉控制模块，重点设计了PID温度算法，把温度偏差和温度偏差变化率作为输入，经处理决策，实现大棚温度精准控制。
关键字：智慧农业大棚;MQTT协议;温度PID控制;WIFI通信;云平台
1引言
1.1研究背景及意义
近年来，农业在物联网的发展过程中得到了进一步进展，智慧农业得到广泛推广。廖建尚等人[1]设计的一款基于物联网的温室大棚环境监控系统就是智慧农业发展的一个例子。智慧农业就是一个经由物联网把农业系统与农业技术结合的复杂系统。它不是简单的替代传统农业，而是在其基础上进行升级迭代，是農业技术与现代科技结合的产物。智慧农业在感知层、传输层和应用层的配合下，实现更加科学理性的农业种植决策和更加精准智能的农业种植操作[2]。
本文设计了一款基于STM32F103C8T6开发板所设计的智慧农业大棚一体化控制系统，采用DHT11、光敏电阻等传感器作为农业种植信息采集设备，再配合以水泵、风扇、恒温加热器等设备作为执行机进行连接，进行基础的控制功能。该智慧农业大棚一体化控制系统利用MQTT协议进行数据传输，相较于传统的蓝牙、WiFi和ZigBee等协议，MQTT协议可以用有限的代码和带宽，给硬件条件低下的设备提供实时可靠的消息服务，所以是物联网系统协议的一大首选项。该系统还采用ESP8266芯片，连接WIFI，降低了组网的成本，加入了PID算法，在线修订PID控制器的参数，达到很好的温度控制效果，使系统具有较好的自适应性。
2系统总体方案设计
系统传感端主要由多个传感器组成，是智慧农业大棚系统实现温湿度、光照强度等环境数据采集重要组成部分;网络端由ESP8266串口WIFI模块、云平台和手机终端组成，网络端是传感端和控制端数据交互传输的重要保证;控制端由恒温控制器、加湿器、风扇、水泵、遮阳网和补光灯组成。由传感端采集数据经网络端的上传及处理后再由控制端来实现温室大棚的自动调节。
3系统软件设计
软件设计主要为数据采集节点、数据上传节点、控制器状态上传节点、数据信息接收节点和自动控制节点。在自动模式下，由数据采集节点采集数据交由自动控制模块去判断控制器的开关后控制器上传节点上传状态到物联网云平台。在手动模式下，由数据信息接收节点接收来自物联网云平台的信息，继而对控制器做出相对应的处理后控制器状态上传节点和控制开关上传节点上传状态。
3.1数据采集模块
在数据采集中，采用实时采集数据。将采集到的数据保存在数组中，当数据需要上传和使用时由系统调出。
3.2数据上传模块
在数据上传中，本系统采用实时上传和定时上传相结合。在实时数据的发送中，执行每一次循环时对数据进行上传。在定时上传时，采用计时器多次采集数据经过处理得出平均值，再通过发送函数上传到物联网云平台。
3.3控制器状态上传模块
在控制器状态上传中，当控制器的状态发生变化时，系统调用上传函数将控制器的状态发送到物联网云平台，控制器状态实时更新，在开启和关闭中切换。
3.4控制器开关状态上传模块
在控制开关状态上传中，当控制器开关发生变化时，系统调用上传函数将控制器开关状态发送到物联网云平台。控制器开关状态实时更新，在开启、关闭和自动三种状态中切换。
3.5数据信息接收模块
在数据信息接收模块，主要用来接收由云平台下发的信息。主要接收控制器的控制信息，当系统在物联网云平台下发开关的命令时，核心芯片就会接收到来自物联网云平台下发的数据信息，芯片进行解码过后得出有效信息，进而对控制器进行处理。
3.6自动控制模块
在自动控制模块，即在系统处于自动控制时，自动去调用判断函数，用来判断条件是否满足，控制器是否去执行开关控制。当采集数据后判断，当满足条件时对控制器进行操作，不满足时则继续采集数据进行判断。
3.7基于PID算法的温度控制器模块
本系统温度控制的总体思想是输入用户期望值Sv（设定值）经控制算法输出一个输出信号OUT，输出PWM信号加载到执行部件上（MOS管）对加热片进行控制，控制对象的当前温度值（Xk）通过传感器反馈给控制算法与Sv相比较。
4系统功能测试
为了测试基于MQTT协议的智慧农业大棚一体化控制系统的可靠性和稳定性，本章节通过模拟真实大棚环境对系统各个节点进行测试，测试系统如图4-1所示。
5总结
通过对农业温室大棚的研究，本文可得到一个较为稳定的温室大棚测控系统。基于MQTT协议的智慧农业大棚一体化控制系统可实现通过传感器精准采集空气温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度，通过执行机自动对温室大棚的环境进行动态调控，特殊情况下可手动控制。本系统可以在手机终端查看实时数据和控制。相对传统的温室大棚而言，减少了劳动力提高了自动化的程度和现代化程度。
参考文献
[1]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报，2016，32（11）：233-243.
[2]熊航.智慧农业转型过程中的挑战及对策[J].人民论坛·学术前沿，2020（24）：90-95.
[3]姚丹，谢雪松，杨建军等.基于MQTT协议的物联网通信系统的研究与实现[J].信息通信，2016（3）：33-35.
[4]卢于辉，秦会斌.基于MQTT的智能家居系统的设计与实现[J].智能物联技术，2019，51（2）：41-47.
关键字：智慧农业大棚;MQTT协议;温度PID控制;WIFI通信;云平台
1引言
1.1研究背景及意义
近年来，农业在物联网的发展过程中得到了进一步进展，智慧农业得到广泛推广。廖建尚等人[1]设计的一款基于物联网的温室大棚环境监控系统就是智慧农业发展的一个例子。智慧农业就是一个经由物联网把农业系统与农业技术结合的复杂系统。它不是简单的替代传统农业，而是在其基础上进行升级迭代，是農业技术与现代科技结合的产物。智慧农业在感知层、传输层和应用层的配合下，实现更加科学理性的农业种植决策和更加精准智能的农业种植操作[2]。
本文设计了一款基于STM32F103C8T6开发板所设计的智慧农业大棚一体化控制系统，采用DHT11、光敏电阻等传感器作为农业种植信息采集设备，再配合以水泵、风扇、恒温加热器等设备作为执行机进行连接，进行基础的控制功能。该智慧农业大棚一体化控制系统利用MQTT协议进行数据传输，相较于传统的蓝牙、WiFi和ZigBee等协议，MQTT协议可以用有限的代码和带宽，给硬件条件低下的设备提供实时可靠的消息服务，所以是物联网系统协议的一大首选项。该系统还采用ESP8266芯片，连接WIFI，降低了组网的成本，加入了PID算法，在线修订PID控制器的参数，达到很好的温度控制效果，使系统具有较好的自适应性。
2系统总体方案设计
系统传感端主要由多个传感器组成，是智慧农业大棚系统实现温湿度、光照强度等环境数据采集重要组成部分;网络端由ESP8266串口WIFI模块、云平台和手机终端组成，网络端是传感端和控制端数据交互传输的重要保证;控制端由恒温控制器、加湿器、风扇、水泵、遮阳网和补光灯组成。由传感端采集数据经网络端的上传及处理后再由控制端来实现温室大棚的自动调节。
3系统软件设计
软件设计主要为数据采集节点、数据上传节点、控制器状态上传节点、数据信息接收节点和自动控制节点。在自动模式下，由数据采集节点采集数据交由自动控制模块去判断控制器的开关后控制器上传节点上传状态到物联网云平台。在手动模式下，由数据信息接收节点接收来自物联网云平台的信息，继而对控制器做出相对应的处理后控制器状态上传节点和控制开关上传节点上传状态。
3.1数据采集模块
在数据采集中，采用实时采集数据。将采集到的数据保存在数组中，当数据需要上传和使用时由系统调出。
3.2数据上传模块
在数据上传中，本系统采用实时上传和定时上传相结合。在实时数据的发送中，执行每一次循环时对数据进行上传。在定时上传时，采用计时器多次采集数据经过处理得出平均值，再通过发送函数上传到物联网云平台。
3.3控制器状态上传模块
在控制器状态上传中，当控制器的状态发生变化时，系统调用上传函数将控制器的状态发送到物联网云平台，控制器状态实时更新，在开启和关闭中切换。
3.4控制器开关状态上传模块
在控制开关状态上传中，当控制器开关发生变化时，系统调用上传函数将控制器开关状态发送到物联网云平台。控制器开关状态实时更新，在开启、关闭和自动三种状态中切换。
3.5数据信息接收模块
在数据信息接收模块，主要用来接收由云平台下发的信息。主要接收控制器的控制信息，当系统在物联网云平台下发开关的命令时，核心芯片就会接收到来自物联网云平台下发的数据信息，芯片进行解码过后得出有效信息，进而对控制器进行处理。
3.6自动控制模块
在自动控制模块，即在系统处于自动控制时，自动去调用判断函数，用来判断条件是否满足，控制器是否去执行开关控制。当采集数据后判断，当满足条件时对控制器进行操作，不满足时则继续采集数据进行判断。
3.7基于PID算法的温度控制器模块
本系统温度控制的总体思想是输入用户期望值Sv（设定值）经控制算法输出一个输出信号OUT，输出PWM信号加载到执行部件上（MOS管）对加热片进行控制，控制对象的当前温度值（Xk）通过传感器反馈给控制算法与Sv相比较。
4系统功能测试
为了测试基于MQTT协议的智慧农业大棚一体化控制系统的可靠性和稳定性，本章节通过模拟真实大棚环境对系统各个节点进行测试，测试系统如图4-1所示。
5总结
通过对农业温室大棚的研究，本文可得到一个较为稳定的温室大棚测控系统。基于MQTT协议的智慧农业大棚一体化控制系统可实现通过传感器精准采集空气温度、空气湿度、土壤湿度和光照强度，通过执行机自动对温室大棚的环境进行动态调控，特殊情况下可手动控制。本系统可以在手机终端查看实时数据和控制。相对传统的温室大棚而言，减少了劳动力提高了自动化的程度和现代化程度。
参考文献
[1]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报，2016，32（11）：233-243.
[2]熊航.智慧农业转型过程中的挑战及对策[J].人民论坛·学术前沿，2020（24）：90-95.
[3]姚丹，谢雪松，杨建军等.基于MQTT协议的物联网通信系统的研究与实现[J].信息通信，2016（3）：33-35.
[4]卢于辉，秦会斌.基于MQTT的智能家居系统的设计与实现[J].智能物联技术，2019，51（2）：41-47.