基于物联网技术的智能种植系统设计与实现

发布时间：2017-04-14 07:15

  本文关键词：基于物联网技术的智能种植系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：物联网技术 智能种植系统 传感器技术 WEB技术 单片机控制
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S126
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 一、前言综述13-21
• 1.1 应用背景与研究现状13-14
• 1.2 研究意义与实际应用价值14-15
• 1.3 研究目的15
• 1.4 种植领域应用物联网技术的研究现状15-18
• 1.5 本文研究内容及组织结构18-19
• 1.6 本文主要创新点19-21
• 二、需求分析21-28
• 2.1 功能与性能分析21-22
• 2.2 开发环境22-27
• (1) Keil与STC22-23
• (2) IDLE23-24
• (3) Protel24
• (4) 网站WEB服务器架构24-25
• (5) 阿里云服务25-27
• 2.3 成本预测与市场前景27-28
• 三、种植控制系统设计实现28-43
• 3.1 低成本低功耗51单片机控制系统28-30
• 3.2 树莓派与RASPBAIN操作系统30-31
• 3.3 系统信息显示31-33
• (1) 字符液晶显示屏1602显示信息31-32
• (2) 点阵液晶显示屏12864显示信息32-33
• (3) 通过HDMI接口连接显示器33
• 3.4 网络控制与远程登录33-37
• (1) 远程登录方式33-35
• (2) WEB服务器方式35-36
• (3) 云服务36-37
• 3.5 外围设备模块控制37-41
• 3.5.1 GPIO直接控制37-39
• 3.5.2 电磁继电器间接控制高功率电器39-41
• 3.5.3 IIC总线控制41
• 3.6 使用摄像头41-43
• 四、系统模块设计实现43-73
• 4.1 光照模块设计实现43-49
• 4.1.1 不同光谱对植物生长状态影响43-44
• 4.1.2 常见蔬菜作物光照时间44-45
• 4.1.3 光照强度监测45-47
• (1) 光敏电阻45-46
• (2) 光敏二极管46
• (3) GY-30型号数字式光强度传感器46-47
• 4.1.4 植物促生长LED灯补光实现47-49
• 4.2 自动灌溉施肥模块设计实现49-59
• 4.2.1 土壤温度检测49-51
• 4.2.2 浇水与土壤温度补充模块设计51-53
• 4.2.3 空气湿度检测与补充53-56
• 4.2.4 有机肥的配置与补肥模块56-58
• (1) 复合有机肥废物堆肥法56
• (2) 按植物所需元素自制肥料56-57
• (3) 肥料的除臭57-58
• 4.2.5 肥料定时按需自动补给58-59
• 4.3 供电模块设计实现59-64
• 4.3.1 供电需求功耗分析59-60
• 4.3.2 供电模块设计60-63
• (1) 太阳能光伏电池板5V供电60-62
• (2) 蓄电池辅助供电62-63
• (3) 220V电压供电63
• 4.3.3 断电监测63-64
• 4.4 温度控制模块设计实现64-68
• 4.4.1 土壤与空气温度检测64-65
• 4.4.2 温度控制与保持65-66
• 4.4.3 地电热66-68
• 4.5 二氧化碳系统68-73
• 4.5.1 二氧化碳检测68-69
• 4.5.2 二氧化碳控制系统69-73
• 五、智能拓展功能设计实现73-83
• 5.1 种植数据智能分析、用户提醒与决策辅助73-75
• (1) 基于SMTP协议的邮件提醒功能73
• (2) 短信平台实时提醒功能73-74
• (3) 决策辅助74-75
• 5.2 种植数据图表展示与社会化分享75-77
• (1) 种植数据展示75-76
• (2) 网页社会化分享76-77
• 5.3 种植天气预测--基于WEB的云天气预警机制77-78
• 5.4 植物生长影像资料记录78-80
• 5.5 植物生长模型构建80-83
• 六、系统实现与运行83-98
• 6.1 系统运行体系结构83-86
• 6.1.1 系统运行架构83-84
• 6.1.2 系统各模块运行流程84-86
• 6.2 系统数据库表与系统运行数据86-93
• 6.2.1 数据库配制与连接86-87
• 6.2.2 数据库重要信息表87-90
• 6.2.3 数据库表键值与关系视图90-92
• 6.2.4 数据库存储优化92-93
• 6.2.5 数据库备份93
• 6.3 系统WEB服务器93-94
• 6.3.1 WEB服务器配置93
• 6.3.2 树莓派数据与WEB服务器连接93-94
• 6.4 系统与用户交互界面94-98
• 七、总结与展望98-101
• 7.1 未来家庭与企业种植信息资源开发与利用98
• 7.2 本文的局限性98-99
• 7.3 全文总结99-101
• 参考文献101-104
• 附录104-107
• 附录1：相关核心元器件与传感器价格104-105
• 附录2：常见经济农作物蔬菜种植数据归纳表105
• 附录3：常见可食用蔬菜生长习性数据归纳表105-106
• 附录4：香菜种植实际实验中生长情况106-107
• 致谢107-108
• 个人简历108

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