基于機(jī)智云平臺(tái)的大棚智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔夢(mèng)丹，張家華

（泉州信息工程學(xué)院，福建泉州362000）

0 引言

隨著人民物質(zhì)生活及消費(fèi)水平的提高，對(duì)于食品安全的要求也嚴(yán)格起來(lái)，有機(jī)食品的消費(fèi)潮流引領(lǐng)著大棚的發(fā)展，所以農(nóng)民的首要追求是在降低投入成本和勞動(dòng)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大棚的增值和收益。本文以單片機(jī)（STC15F2K60S2）為核心，采用無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于機(jī)智云平臺(tái)的大棚智能管理系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制［1］，并調(diào)節(jié)相關(guān)變量的限值，使大棚的溫度、光照強(qiáng)度、土壤的濕度、二氧化碳的濃度更加合理。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STC15F2K60S2單片機(jī)、光照模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、CO2檢測(cè)模塊、土壤濕度檢測(cè)模塊、通風(fēng)模塊、風(fēng)扇降溫模塊、自動(dòng)澆水模塊、報(bào)警模塊、無(wú)線通信模塊、機(jī)智云平臺(tái)、手機(jī)APP組成。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

1.1 主控電路

STC15F2K60S2單片機(jī)是一種新型單片機(jī)，其速度遠(yuǎn)超早期51單片機(jī)，內(nèi)部具有高精度R/C時(shí)鐘，常溫下溫飄也相對(duì)較低。單片機(jī)外部硬件接線如圖2所示。芯片的14管腳（VCC）接+5V供電，16管腳接地實(shí)現(xiàn)給單片機(jī)供電。它的27、26、24管腳分別是運(yùn)行指示、補(bǔ)光指示、加熱指示，各自連接一個(gè)限流電阻保證LED的正常運(yùn)行。而23、29管腳分別連接澆水水泵和風(fēng)扇的繼電器驅(qū)動(dòng)端。

圖2 單片機(jī)外部硬件接線圖

1.2 光強(qiáng)模塊

光敏電阻是一種隨著光照強(qiáng)度改變阻值大小的元器件。在光照增強(qiáng)時(shí)，阻值變小；在光照減弱時(shí)，阻值增大［2］。通過(guò)光敏電阻的特性來(lái)開(kāi)關(guān)燈源，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光功能。光敏電阻接線圖如圖3所示。在一定電壓的條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度越大則電阻越小，對(duì)應(yīng)的電流越大，反之則電流越小。電路中光敏電阻串聯(lián)一個(gè)10K的電阻用來(lái)限流。單片機(jī)上的8管腳引出LO獲得當(dāng)下的電流值與限值作比較，只有當(dāng)LO處所在電路的電流值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)光燈（LED6），其余情況補(bǔ)光燈關(guān)閉［3］。

圖3 光敏電阻接線圖

1.3 溫度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器，內(nèi)部分別置有測(cè)溫器件和電阻式元器件用來(lái)連接內(nèi)置的小型單片機(jī)，無(wú)需額外的多余部件，具有較高的精度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性［4-6］。傳感器的1引腳接地，2引腳接+5V供電電源，3引腳接到單片機(jī)的22管腳作單向數(shù)據(jù)傳輸。電路圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器接線圖

1.4 二氧化碳檢測(cè)模塊

MH-Z19是一種基于非色散紅外（NDIR）原理的二氧化碳?xì)怏w檢測(cè)傳感器，可以識(shí)別空氣中的二氧化碳并檢測(cè)其含量，具有使用期限長(zhǎng)、靈敏度高且無(wú)氧氣依賴性的特點(diǎn)。傳感器外部4引腳接+5V電源，3引腳接地，2和1引腳分別是數(shù)字輸出（DOUT）和模擬輸出（AOUT），電路圖如圖5所示。同時(shí)，其器件內(nèi)部含有溫度補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字與波形的輸出，具有較高分辨率和較低功耗。

圖5 二氧化碳檢測(cè)模塊電路圖

1.5 土壤濕度檢測(cè)模塊

YL69土壤濕度傳感器，采用不銹鋼防水探針，可以滿足定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量。通過(guò)將傳感器的兩個(gè)插片插在土壤里，測(cè)得當(dāng)前的土壤濕度值，通過(guò)IN端與LM393相連。LM393是一個(gè)比較器，通過(guò)R1設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)濕度大時(shí)，OUT端輸出低電平，相反輸出高電平。OUT信號(hào)可以直接用來(lái)粗略估算濕度大小，具體電路如圖6所示。

1.6 Wi-Fi無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用ESP8266串口無(wú)線AP+STA”（COM-AP+STA）模式，既可以被其他的Wi-Fi設(shè)備連接，又可以連接到其他的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)串口與其他設(shè)備之間的無(wú)線數(shù)據(jù)互傳［6］，具有低功耗、高集成度、超寬的工作溫度的優(yōu)點(diǎn)。芯片外部在RST和EN端分別串聯(lián)一個(gè)10K的電阻；VCC端外接一個(gè)3.3V的降壓芯片；UTXD、URXD直接與單片機(jī)的RXD、TXD連接，經(jīng)測(cè)試通信正常。電路接線如圖7所示。

圖6 土壤濕度檢測(cè)模塊電路圖

圖7 ESP8266接線電路圖

1.7 窗戶通氣模塊

本設(shè)計(jì)采用ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)閉，具有電流較大且耐壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)。工作電壓為5V，可直接與TTL以及CMOS電路直接相連，還能直接處理本需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái)處理的數(shù)據(jù)。芯片外部VCC接+5V電源，GND接地。IN1～I(xiàn)N4是ULN2003的四個(gè)輸入控制信號(hào)端，高電平有效。它主要構(gòu)成脈沖（驅(qū)動(dòng)信號(hào)）給電機(jī)用。具體電路如圖8所示。

1.8 機(jī)智云控制平臺(tái)模塊

機(jī)智云控制平臺(tái)基于路由器與ESP8266 Wi-Fi模塊相連，在更改相應(yīng)的參數(shù)后，智能終端（APP）與串口模塊綁定，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備。本設(shè)計(jì)是以機(jī)智云作為第三方平臺(tái)，用ESP8266無(wú)線模塊連入機(jī)智云平臺(tái)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)APP遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接線電路圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

程序初始化（串口初始化、定時(shí)器初始化、用戶協(xié)議初始化、機(jī)智云協(xié)議初始化、AD轉(zhuǎn)換初始化）后進(jìn)入循環(huán)。第一步進(jìn)行按鍵掃描；第二步檢測(cè)土壤濕度是否低于限值，若低于濕度限值則啟動(dòng)水泵澆水，10分鐘后水泵自動(dòng)停止，若沒(méi)有低于土壤濕度限值則繼續(xù)往下執(zhí)行程序；第三步檢測(cè)空氣溫度是否超過(guò)上限值，若超過(guò)溫度上限值則打開(kāi)風(fēng)扇降溫并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，若沒(méi)有達(dá)到溫度上限值則繼續(xù)檢測(cè)溫度是否低于下限值，若低于下限值則啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，若沒(méi)有低于下限值則繼續(xù)往下執(zhí)行；第四步檢測(cè)空氣中的二氧化碳是否超過(guò)限值，若超過(guò)二氧化碳濃度限值則打開(kāi)窗戶通風(fēng)并啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，若沒(méi)有達(dá)到二氧化碳濃度限值則繼續(xù)往下執(zhí)行程序；最后一步是檢測(cè)光線亮度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若沒(méi)有達(dá)到亮度標(biāo)準(zhǔn)則打開(kāi)補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，若達(dá)到亮度標(biāo)準(zhǔn)則返回初始化，繼續(xù)進(jìn)行下一次循環(huán)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在模擬環(huán)境下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，上位機(jī)實(shí)時(shí)控制界面如圖10所示。系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖11所示。

圖10 上位機(jī)實(shí)時(shí)控制界面

圖11 硬件實(shí)物圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于機(jī)智云平臺(tái)的大棚管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控芯片，Wi-Fi芯片（ESP8266）作為物聯(lián)網(wǎng)控制芯片，配合各功能模塊的電路設(shè)計(jì)，用戶可以通過(guò)安裝智能手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)測(cè)試，該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確地進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。