基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控及滴灌系統(tǒng)

楊雨，許金奎，蔡池，賈巍

（湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機管理、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)厥覂?nèi)的各項環(huán)境參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控，便于操作人員對溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控，從而避免了肉眼觀察的疏忽，在一定程度上降低勞動力的損耗，有效提高農(nóng)作物的生長環(huán)境。因此，建立一個智能化的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，對改善我國農(nóng)作物溫室內(nèi)生長的環(huán)境工作，具有重大的理論及實踐價值。

1 總體設(shè)計原理

本設(shè)計主要由傳感器系統(tǒng)、主控模塊、通信模塊及云平臺組成。以STM32F103 系列單片機為核心，可有效減少系統(tǒng)延遲，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。傳感器系統(tǒng)由光照、空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度傳感器等傳感器構(gòu)成，實現(xiàn)對溫室環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測。滴灌系統(tǒng)主要由電磁閥組成，采用地下固定式滴灌方式，有效節(jié)約用水。云平臺憑借Esp8266WiFi 通信模塊接收發(fā)送信號來實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)手機物聯(lián)網(wǎng)軟件

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 傳感器系統(tǒng)

（1）采用YL-38 型光照強度傳感器對溫室內(nèi)光照強度進(jìn)行監(jiān)測。光強傳感器的核心是感光電阻，當(dāng)光照強度發(fā)生變化時，其感光電阻的阻值會發(fā)生變化，通過LM393 比較器輸出一個變化的模擬量，再通過單片機進(jìn)一步處理得到光照強度的數(shù)據(jù)。

（2）采用DHT11 型溫濕度傳感器對室內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行實時監(jiān)測。將它用杜邦線與單片機的管腳相連，可以實時獲取溫室的溫濕度，從而對溫室進(jìn)行監(jiān)測。

（3）采用FC-28 型的土壤濕度傳感器，其核心芯片采用了LM393 的寬頻比較器，原理是將土壤探頭接口插入土壤，其電阻值隨土壤含水量的變化而變化，通過單片機對模擬量的處理得到土壤實時濕度。

（4）采用SGP30 氣體傳感器對溫室的CO2濃度進(jìn)行檢測。SGP30 具有穩(wěn)定性、低漂移性、高可靠性等優(yōu)點，采用I2C 協(xié)議進(jìn)行通訊，便于讀取采集的數(shù)據(jù)。

■2.2 主控模塊

主控模塊電路主要是用到單片機的核心芯片STM32 F103，用它提供兩個串口，串口1 用來連接上位機，顯示現(xiàn)場各個傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)；串口2 與Esp8266WiFi模塊連接，發(fā)送AT 指令來遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)。

時鐘電路是MCU 中最關(guān)鍵的部件，它的作用是為MCU提供時鐘頻率，在時鐘頻率準(zhǔn)確的情況下，單片機系統(tǒng)正常工作。

復(fù)位電路的設(shè)計是為了防止單片機死機或者代碼跑飛，給單片機NRST 管腳一段時間的低電平，單片機的核心芯片就會復(fù)位，保護(hù)芯片不被損壞。

■2.3 通信模塊及云平臺

通信模塊采用Esp8266。Esp8266WiFi 模塊所需的外部電路少，且可以作為完整的、獨立運行的網(wǎng)絡(luò)解決方案，其強大的處理能力。STM32F103 和Esp8266WiFi 模塊采用串口通訊，通過發(fā)送AT 指令實現(xiàn)它們之間的通信。系統(tǒng)將由傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后通過Esp8266WiFi模塊向云平臺傳送，從而實現(xiàn)對溫室數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作原理如2 所示，傳感器采集系統(tǒng)是通過I/O 總線與現(xiàn)場終端相連的，MCU 的UART 與現(xiàn)場的人機接口相連，并利用 Modbus 的傳輸協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)通過Esp8266WiFi 模塊運營商的網(wǎng)絡(luò)傳送到云平臺。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)工作原理

■2.4 控制電路模塊

滴灌系統(tǒng)是利用土壤濕度感應(yīng)器來偵測土壤含水率，通過電磁閥的開關(guān)來控制；空氣溫濕度是通過熱風(fēng)機、風(fēng)扇、噴水閥門控制；光照強度通過白熾燈和遮光簾去控制；溫室的CO2濃度通過通風(fēng)閥和CO2噴嘴來控制。

圖3 控制系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 軟件總體方案設(shè)計

以STM32 單片機為核心，對數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行詳細(xì)的編程，其主要內(nèi)容有：初始化GPIO 口、串口通訊參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)通過Esp8266WiFi 模塊送到云平臺、Modbus 通信協(xié)議、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

溫室環(huán)境監(jiān)控的軟件具體流程：(1)系統(tǒng)在上電后，對GPIO 端口、時鐘、串口進(jìn)行初始化設(shè)置；(2)對傳感器模塊和Esp8266WiFi 模塊初始化后，通過AT 指令檢查網(wǎng)絡(luò)的連接狀況。(3)單片機接收到的指令如果是采集指令，則將傳感器采集到的溫室數(shù)據(jù)用Esp8266WiFi 模塊傳送至云平臺。(4)如果是控制指令，單片機則控制調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境參數(shù)。溫室環(huán)境監(jiān)控軟件總體流程圖如圖4 所示。

圖4 溫室監(jiān)控軟件總體流程圖

圖5 啟 動 （ ADr主d uH程in序oTU）N1O11讀取數(shù)據(jù)啟動ArduinoUNO2

■3.2 感知層

感知層軟件設(shè)計主要是指用STM32 單片機對一些傳感器的數(shù)據(jù)采集的編程，這部分主要涉及一些傳感器的軟件設(shè)計。

DHT11 的數(shù)據(jù)是由溫度整數(shù)和小數(shù)、濕度的整數(shù)和小數(shù)構(gòu)成，傳感器得到的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，為了獲得直觀的數(shù)據(jù)，需通過進(jìn)制轉(zhuǎn)換讀取溫濕度傳感器采集到的溫濕度的數(shù)據(jù)。

YL-38 型光敏電阻傳感器檢測到的數(shù)據(jù)是模擬量，單片機無法識別，所以在設(shè)計光敏電阻傳感器的軟件設(shè)計時，需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換，它包括對ADC 時鐘的使能、ADC 初始化參數(shù)、GPIO 的使能以及獲取ADC 轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制編碼的數(shù)據(jù)的編寫，單片機通過數(shù)據(jù)總線讀取光敏電阻器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再經(jīng)過程序?qū)⒍M(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的數(shù)據(jù)就可得到光敏傳感器的數(shù)據(jù)。

SGP30 型二氧化碳濃度傳感器軟件采用功能模塊化設(shè)計。由主程序和子程序構(gòu)成。主程序?qū)崿F(xiàn)了初始化、系統(tǒng)檢測和子模塊調(diào)用；子程序包括了GPIO 管腳參數(shù)的配置、應(yīng)答信號的檢測以及傳感器的讀寫數(shù)據(jù)。啟動模塊需要一段時間的初始化，在初始化階段，二氧化碳濃度是400 ppm，所以上電后，SGP30 模塊的數(shù)據(jù)會被定時讀取，當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到400 ppm，則會發(fā)出“正在測試中”的信息，直到SGP30 模塊初始化完成。

FC-28 型土壤濕度傳感器的軟件設(shè)計也是模塊式的，方便了功能的擴(kuò)充。傳感器在接通電源以后，首先要進(jìn)行初始化處理為讀取土壤濕度做準(zhǔn)備。進(jìn)入主循環(huán)程序首先要對子程序的調(diào)用，再獲取土壤濕度芯片的數(shù)據(jù)，最后判斷當(dāng)前土壤濕度值是否超出所設(shè)置的閾值，若濕度超過閾值，則驅(qū)動蜂鳴器報警并開啟水泵電磁閥門，直到環(huán)境的濕度再次回到土壤正常濕度值則停止動作。

感知層中主函數(shù)的軟件設(shè)計首先需要調(diào)用各參數(shù)的初始化函數(shù)，包括延時函數(shù)、設(shè)置波特率、LED 初始化函數(shù)、光照強度初始化函數(shù)、土壤初始化函數(shù)以、溫濕度初始化函數(shù)以及二氧化碳初始化函數(shù)，隨后獲取各個ADC 通道的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后上傳云平臺。

滴灌控制、空氣的溫濕度控制、光照強度控制的軟件設(shè)計均采用IF 語句進(jìn)行判斷。當(dāng)偵測到溫室環(huán)境因數(shù)低于或高于設(shè)定的臨界值時，云平臺會發(fā)出相應(yīng)的指令，通過單片機控制相應(yīng)裝置開關(guān)改善溫室環(huán)境。

■3.3 傳輸層設(shè)計

傳輸層的軟件設(shè)計主要是數(shù)據(jù)的上傳與指令接受的代碼編寫，首先對Esp8266 進(jìn)行初始化，發(fā)送 AT 指 令， 對Esp8266進(jìn)行連接狀態(tài)檢測，確認(rèn)無誤后，將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺。數(shù)據(jù)上傳的流程圖如圖6 所示。

圖6 數(shù)據(jù)上傳流程圖

圖7 微信小程序遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

將遠(yuǎn)程客戶端作為主機，現(xiàn)場終端作為從機，通過Esp8266 將數(shù)據(jù)打包并將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程客戶端，當(dāng)遠(yuǎn)程客戶端向現(xiàn)場終端傳輸數(shù)據(jù) 時，Esp8266 又 會將收到的指令返回給單片機做出應(yīng)答。遠(yuǎn)程監(jiān)視和Esp8266 之間的遠(yuǎn)程通信是通過 Modbus 通信協(xié)議實現(xiàn)，將Modbus RTU 通訊協(xié)議的地址碼設(shè)置為0X01，功能碼設(shè)置為0X03，讀取保持寄存器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)區(qū)分別放置溫濕度、土壤濕度、二氧化碳、光照強度數(shù)據(jù)。

■3.4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層通過API 接口（HTTP 接口）分別在天氣平臺與ONENET 云平臺獲取數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)對應(yīng)用層所要求的功能單一，采用API 接口可在系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)優(yōu)化資源分配，始終以最快的響應(yīng)速度在微信小程序生命周期內(nèi)顯示在頁面上。其次系統(tǒng)僅僅采用了API 接口（HTTP 接口）請求方法中的GET 與POST 兩種。GET 用于刷新應(yīng)用頁面信息時不斷向ONENET 云平臺發(fā)起請求，并接受返回的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的解析將數(shù)據(jù)顯示在頁面上；POST 用于在應(yīng)用層遠(yuǎn)程操控電磁閥等現(xiàn)場設(shè)備，需要手動開啟或關(guān)閉外部設(shè)施時使用此請求方法，將特定的數(shù)據(jù)發(fā)送給ONENET 云平臺后向控制端發(fā)送控制指令。

4 總結(jié)

本文設(shè)計并開發(fā)出一套集監(jiān)測和控制于一體的物聯(lián)網(wǎng)溫室監(jiān)控與滴灌系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計及工作原理，提出了整個系統(tǒng)的總體方案，完成了部分傳感器的選擇和硬件電路的設(shè)計。從感知、傳輸、應(yīng)用三個層次進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，以Keil5 作為軟件開發(fā)平臺，用C 語言進(jìn)行軟件編程實現(xiàn)各類功能，完成了溫室數(shù)據(jù)上傳云平臺和云平臺下發(fā)指令的預(yù)期功能。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，通過微信小程序進(jìn)行監(jiān)測控制，可給使用者提供相應(yīng)管理經(jīng)驗，指導(dǎo)其現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)，為溫室中農(nóng)作物創(chuàng)造最佳的生長條件，提高產(chǎn)量，減少資源的浪費，是一個較先進(jìn)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。