基于移動端的溫室環境監控系統設計

張曉培，梁文海

(欽州學院 廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室培育基地，廣西 欽州 535011)

0 引言

隨著農業現代化的發展，溫室環境監控是國內外研究的熱點之一[1]。目前，雖然有許多關于溫室監控系統的研究，但是大多數研究都是圍繞著控制器、數據傳輸方式和監控軟件[2-4]進行的，并采用PC機作為上位機，這就要求PC終端安裝在一個固定的位置。固定的終端顯示就會導致在時間和空間上產生局限性。隨著人們生活水平的不斷提高，移動手機的普及為溫室監控系統提供了新的技術方案。本文采用Android 移動手機作為溫室環境監控客戶端，由單片機控制器和WiFi無線傳輸模塊共同組成監控系統的服務器。

1 監控系統的總體設計

基于移動端的溫室環境監控系統主要由上位機和下位機兩大部分組成，下位機又由數據采集模塊和無線傳輸模塊組成，系統的總體框圖如圖1所示。系統主要功能：利用溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器實時地對溫室內的空氣濕度、空氣溫度、光照強度和土壤濕度等信息進行采集，然后經單片機控制器進行數據的處理，并通過WIFI無線傳輸模塊傳輸到移動客戶端，通過移動手機監控界面對數據進行處理和顯示；當測量值出現異常時，可以在手機監控界面上出現提示，同時控制器控制蜂鳴器發出報警提示，便于農戶進行及時處理。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 電源轉換電路

由于STC89C52單片機和各種傳感器需要5V的供電電源，而WiFi模塊則需要3.3V的電源，因此需要將5V電源降到3.3V。本文采用降壓電源模塊，電路設計時選擇LM2596S降壓芯片，其降壓電路如圖2所示。圖2中，IN和OUT分別為輸入電壓5V和輸出電壓3.3V。

圖2 降壓電路圖

2.2 傳感器模塊

需要根據溫室環境內的溫度、濕度、光照強度和土壤濕度這4個環境參數選擇合適的傳感器。本文針對空氣溫度和濕度選擇了DHT11溫濕度傳感器，其測量量程分別為0～50℃、0%～100%，測量誤差分別為±2℃、±5%；對光照強度的測量選擇的是BH1750FVI傳感器，其光照強度范圍為0～65 535lx；土壤濕度傳感器采用的是HR202土壤濕度傳感器，為了提高傳感器的導電性能，同時防止接觸土壤容易生銹的問題，在檢測部分的表面進行了鍍鎳處理。

2.3 數據處理電路

數據的處理控制器選用的是STC89C52單片機，具有功耗低、運行速度快等優點。采用51內核卻擁有傳統51單片機所不具備的功能[5]。各種傳感器通過單片機的控制，把當地的環境參數進行實時采集，然后把采集到的數據輸入到控制器中，控制器根據接收到的數據，經過處理把它轉化成對應的空氣溫度值和空氣濕度值、光照強度值和土壤濕度值。控制器采集電路如圖3所示。

圖3 數據處理電路

2.4 報警電路

本文在控制器中設置了溫度、濕度和光照強度的上下限報警值，當系統檢測的環境參數大于或者小于控制器給定的上下限報警值時，系統就會觸發報警裝置進行報警，便于農戶及時發現異常進行及時的處理。報警電路的設計電路如圖4所示。

圖4 報警電路

2.5 無線模塊的電路設計

現今常用的無線傳輸技術有GSM通訊技術、ZigBee技術和WiFi無線傳輸技術等[6]。由于WiFi在農業溫室區的覆蓋，可使移動終端方便的接入監控系統[7]，所以本設計選用的無線傳輸模塊為WIFI模塊。WiFi模塊采用的是esp8266的射頻芯片，其工作電壓3.0～3.6V，本設計采用3.3V。它與單片機的數據通訊是通過串口實現的，無線WiFi模塊的數據發送和數據接收引腳分別接單片機的RXD和TXD。模塊與單片機可以作為服務器或者客戶端，只需給予模塊設置相應的AT指令即可。本設計中使用的是服務器模式，其與單片機的連接如圖5所示。該模塊留有天線接口，為了提高傳輸距離和數據傳輸的穩定性，該電路外接了一根天線。

圖5 WiFi與單片機的接口圖

3 系統軟件設計

3.1 下位機數據采集軟件設計

本系統中，對溫室環境參數的采集和處理由下位機完成的，下位機把采集到的環境參數通過無線傳輸方式發送給移動客戶端，軟件流程圖如圖6所示。

3.2 上位機工作流程圖

上位機在溫室環境監控系統中起到了數據接收和顯示的作用，其軟件流程圖如7所示。

3.3 WIFI通信軟件設計

無線WiFi模塊工作模式有STA和AP模式[8]。STA模式即無線站點，類似于無線終端，STA可以連接到AP，但是本身不允許無線接入，如移動手機、平板電腦等。AP模式即無線接入點，給予無線接入服務，允許其他無線終端接入，如路由器(AP)， AP與AP還可以相互連接。本系統WiFi模塊工作在AP模式下，單片機和WiFi模塊共同組成了服務器。首先對esp8266無線WiFi模塊進行初始化設置，根據無線模塊的通訊協議，從單片機的串口給WiFi模塊發送AT指令，完成初始化設置，如AP模式的設置等。

圖6 下位機軟件流程圖

圖7 上位機軟件流程圖

3.4 移動手機客戶端APP軟件的開發

溫室環境監控系統的上位機監控軟件是由JAVA語言開發的Android應用程序，是運行在Android移動手機上的應用程序。此次設計的開發環境使用的是谷歌公司推出的Android開發平臺Android Studio。

開發本系統的應用程序，需要先對界面進行布局設計，然后再根據界面所需要的功能進行代碼編寫。根據移動端溫室環境監控的需求，論文設計了上位機監控軟件的兩個界面，如圖8和圖9所示。

圖8 WIFI連接界面

圖9 環境數據顯示界面

圖8中的界面布局了IP地址輸入編輯框、端口號輸入編輯框、啟動連接按鈕和進入監控頁面按鈕。由于上位機是作為客戶端使用， IP地址和端口號是必不可少的。為了方便農戶，WIFI連接界面初始化時，默認填寫服務器的IP地址192.168.4.1和端口號8888；當手機正確連接服務器后，點擊啟動連接按鈕，按鈕上的文字顯示為斷開，且在按鈕下方出現短暫的文字提示“已成功連接！”；點擊斷開按鈕，按鈕上的文字顯示為啟動連接，并且在按鈕下方出現短暫的文字提示“已斷開連接”；當點擊“進入監控頁面”按鈕，進入數據顯示界面。

圖9的界面為監控數據的顯示界面，包含當前溫度、當前濕度、光照強度和土壤濕度的顯示，同時還布局了溫度、濕度和光照強度報警值的編輯框，輸入內容有提示限制。在這個界面中布局了一個“開始監控”按鈕，當上位機正常連接服務器點擊該按鈕后，按鈕上的文字從原來的“開始監控”變成“監控中...”，文字顏色由黑色變藍色作為重要提示，接收到的數據顯示在指定的顯示標簽內；再次點擊該按鈕，按鈕上的文字由“監控中...”變成“開始監控”，顯示數據消失；如果未能正常連接服務器，該按鈕無響應，數據不顯示。

4 基于移動端的溫室環境監控系統測試

針對系統的研究目標，本文通過硬件物理平臺的搭建和軟件系統的編程，構建了一個基于移動端的溫室監控系統。完成本系統的設計，需要先對軟硬件進行分步驟的安裝和測試，確認每步測試成功后才進行了系統的集成組裝調試和模擬試驗。

開啟下位機，等待幾秒鐘后，開啟上位機“啟動連接按鈕，系統連接成功，運行界面如圖10所示。如果不能正確連接服務器，就開啟“啟動連接”按鈕，界面不會提示“已成功連接！”。

圖10 連接界面運行圖

系統的正常啟動順序為：先連接成功后，進入監控系統界面，設置溫度、濕度和光照強度的報警值后，點擊“開始監控”按鈕。如果沒有設置溫度、濕度或者光照強度值時，點擊“開始監控”，按鈕文字不會發生變化；若設置值不全或者不合法，都會在界面上提示用戶。在接收到的環境參數沒有超出設定值的情況下，看到的顯示界面如圖11所示。

圖11 檢測參數正常顯示界面

如果采集到的環境參數超過或者小于農戶給定的參數報警值時，上位機界面出現就會報警提示。若接收到的溫度值大于給定的溫度上限報警值，提示溫度過高；若接收到的濕度值小于給定的濕度報警下限值，提示濕度過低；若接收到的光照強度值小于給定光照強度下限報警值，提示光照過低。檢測環境參數異常的顯示界面如圖12所示。

圖12 檢測參數異常顯示界面

5 結論

為了有效地監控溫室環境參數，提出了使用傳輸速度快、傳輸信號穩定的無線WIFI通訊技術與移動客戶端傳輸數據的溫室環境監控系統。該系統采用各種傳感器和單片機完成溫室現場環境的參數采集，并將數據打包通過無線WIFI模塊構成的服務器傳輸給移動客戶端，最終將監控的數據顯示在開發的Android系統APP上。為了驗證系統的可行性和穩定性，通過對環境監控 APP 的測試，完成了在線環境數據的獲取、監控等功能。試驗結果表明：該系統操作簡單、軟硬件運行穩定，基本上達到了預期的設計目標，能夠較好地監測溫室環境中的多元信息，為溫室農業生產提供重要的科學依據。

參考文獻：

[1] 齊建玲,田國強,蘇行.基于嵌入式技術的無線智能溫室測控系統設計[J].北航天工業學院學報，2016,26(4)：1-3.

[2] 李星恕,楊中平,郭康權,等.CAN 控制器溫室環境監控系統的設計[J].農機化研究,2002(4):97-100.

[3] 馬海龍,張長利,鄭博元,等.基于ZigBee技術的日光溫室環境監控系統設計[J].南方農機,2015(12):34-36.

[4] 王以忠，王盼，彭一準,等.基于LabVIEW 的溫室大棚智能遠程監控系統[J].湖北農業科學，2015,54(13):3269-3272.

[5] 趙國利.基于單片機的停車場管理系統模型設計[J].河南機電高等專科學校學報,2014(4):14-17.

[6] 吳成東.智能無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:科學出版社，2011.

[7] 劉紅義,趙方,李朝暉,等.一種基于WiFi傳感器網絡的室內外環境遠程監測系統設計與實現[J].計算機研究與發展,2010,47(S2):361-365.

[8] 楊飛,謝濤,伍其,等.基于WiFi的農業物聯網溫室大棚環境監測系統的設計[J].計算機測量與控制,2017,25(2):50-53.