基于單片機的農業大棚數據采集以及遠程監控

鄧甜甜，王晴晴，陳 進，黃菊香，商體佳，何光梅

（貴州師范學院 數學與大數據學院，貴州 貴陽 550018）

0 引 言

現今智能物聯網技術已應用于各個領域，在農業生產活動中也具有較大的應用前景。目前，在貧困偏遠山區，對農業大棚的監測成本仍較高，同時還存在無法利用SIM通信卡上傳監測數據的問題。而LoRa作為新興起的低功耗無線局域網通信技術，能夠實現超低電流消耗；其利用擴頻調制和降低通信調制頻率提供長距離傳輸，可以與具有兼容特性的物聯網技術一起應用于低功耗、長距離和小數據量的設備。

為了解決偏遠山區農業大棚的溫濕度數據采集、成本、功耗等方面的問題，本文設計了基于單片機的農業大棚數據采集以及遠程監控系統，該系統能夠進行數據采集、網關數據轉發以及服務器數據存儲。

1 系統設計

本文設計的系統中，由DHT11溫濕度采集模塊、OLED顯示模塊、TP4056充電電路和LoRa擴頻傳輸模塊組成節點；由OLED顯示模塊、TP4056充電電路、ESP-01WiFi模塊和LoRa擴頻傳輸模塊組成網關系統。通過LoRa傳輸模塊，STM32轉發DHT11采集的數據，利用串口發送到目標地址上的另一個LoRa傳輸模塊。最后網關將LoRa傳輸模塊接收的數據通過串口轉至OLED上顯示，并通過帶有AT指令固件的ESP-8266WiFi模塊將數據上傳至服務器上的數據庫中。系統框圖如圖1所示。

圖1 LoRa無線遠程監測系統框圖

2 硬件設計

2.1 ESP-8266WiFi模塊

ESP-8266 WiFi模塊可支持高性能無線SOC，同時能以最低的成本提供最大的實用性能；為將WiFi功能成功嵌入到其他系統提供無限的可能，也支持三種模式：AP、STA以及AP和STA共存模式。其指令見表1所列。

表1 WiFi模塊的指令

2.2 LoRa擴頻傳輸電路

LoRa有定點發射和廣播發射兩種傳輸方式。當節點數據上傳至某一指定地址及信道上的網關時一般采用定點發射，而當網關向同一信道上的節點下發指令時一般采用廣播發射。LoRa還具有抗干擾、傳輸距離更遠以及保障通信穩定的優點。

2.3 TP4056充電電路

本設計使用TP4056作為充電電路的芯片。TP4056是一款外部元件數量少且適用于鋰離子電池的便攜式充電器。當鋰電池電壓到達臨界值（2.55 V/4.2 V）時，模塊將自動從負載斷開電池，防止電池過度放電或過度充電。其電路如圖2所示。

圖2 TP4056充電電路

3 軟件設計

本文的設計中使用并發服務器和Socket通信。服務器監聽加入的連接，并調用fork()將自身拆分為父進程和子進程。子進程處理連接并將接收的數據存入數據庫，父進程則返回監聽是否有新的連接加入其中。具體工作流程如圖3所示。

圖3 服務器工作流程

4 結 語

本文設計了基于單片機的農業大棚數據采集以及遠程監控系統。該系統能夠進行數據采集、網關數據轉發以及服務器數據存儲。利用智能物聯網技術的優點，解決了偏遠貧困地區大棚的數據監測和傳輸不便、造價成本高昂的問題。