基于藍牙通信的智慧農業溫濕度監視系統設計

任明輝

摘要：溫濕度監視是溫室大棚管理的重要環節，傳統的溫濕度采集技術存在鋪設維護成本過高、自動化程度較低、操作隱患較大等問題。針對上述情況，文章設計了一種新型農業溫濕度監視系統，通過連接數字溫濕度傳感器采集數據，采用藍牙無線通信的方式傳輸溫濕度數據并集中控制，同時利用基于Java開發的數據庫與可視化界面對數據進行存儲和查看，以此實現降低鋪設成本、優化操作模式、提升農業自動化水平、保障農業安全生產的效果，以期為農業大棚數字化管理提供技術參考。

關鍵詞：物聯網；溫濕度傳感器；藍牙；串口通信

中圖分類號：TN915.5 ?文獻標志碼：A

0 引言

當今時代是一個信息化的時代，隨著互聯網的普及，生活中越來越多的方面可以利用互聯網實現簡單操作，比如線上教學、線上辦公甚至線上診療。而物聯網也是基于互聯網衍生的一項技術。

我國是人口大國，每天消耗的糧食不計其數，如果糧食出現危機，將會引發社會問題，所以中國人的糧袋子必須緊緊抓在自己手上。雖然在以袁隆平院士為代表的科研人員的努力下，我國已經實現了水稻自由和小麥自由，基本解決了溫飽問題。但是，由于自然條件的限制，許多品種還需要從國外進口，如玉米、西蘭花等，還要解決核心技術受制于人的卡脖子問題，利用物聯網技術，讓糧食生產插上科技的翅膀是一個重要途徑。糧食生產最重要的是生長環境，因此有了溫室大棚技術。但是，種子對環境的敏感度要求溫室大棚內的溫濕度必須達到一個合適的范圍，因此溫濕度的檢測對于瓜果蔬菜的種植有著十分重要的作用。另外，溫濕度數值的采集需要工作人員進出溫室棚，但頻繁的進出對溫室棚的溫濕度會有很大的影響，所以非接觸式溫濕度采集系統非常關鍵。傳統的溫濕度監視系統一般采用現場總線的方式，可以統一供電，可靠性高。然而，溫濕度傳感器節點鋪蓋面廣，成本高，線路故障維修困難。本設計采用藍牙無線傳輸的方式，極大地減少了人力、物力和財力，當某一節點出現問題，只需拆下此節點維修即可，并不會影響其他節點。而且，由于是通過藍牙傳輸，不需要工作人員進入查看，在很大程度上節省了人力、物力和財力。

本文介紹了一種基于藍牙模塊的無線溫濕度檢測系統的設計與制作，下位機以STM32單片機為核心，使用藍牙JYD-10M模塊進行數據的傳輸，溫濕度傳感器DHT11作為數據采集單元進行相關數據的收集，實時對該環境下的溫濕度監視。測量數據通過串口屏模塊實時顯示，并將收集的信息通過串口傳輸到上位機，利用數據庫進行存儲，通過可視化界面對收集的信息進行查看。本系統設計有管理員登錄、查看歷史信息、根據所種品種查看最適宜溫濕度等功能，其難點是藍牙組網的搭建、上位機與下位機的串口通信。

1 硬件設備需求分析

1.1 微控制器模塊

本系統采用STM32微控制器，具體系統功能如圖1所示。它具有32位處理器，可分為多種類型，是一種中低端設備。Arm Cortex-M3集成了嵌入式Flash和RAM存儲器的內核，可提供更高的代碼效率；有112個快速I/O端口；添加了許多可用的外圍設備以提高效率。與普通單片機相比，這種微控制器具有更高的效率和可用性，能捕獲定時器、I2C通信接口等。計算和處理速度較強大，片內和片外設備較豐富，為功能和擴展提供了良好的平臺。

1.2 藍牙傳輸模塊

藍牙（bluetooth）的名稱來自10世紀丹麥的一位王者，用于指代協調無線LAN標準的藍牙技術。自發明以來，藍牙一直是智能手機數據傳輸的重要手段。早期的藍牙模塊功耗非常高，不宜一直處于工作狀態，近年來開發的低功耗藍牙完美地解決了這一問題。藍牙的種類繁多，協議也不同，以其高效率成為當今信息時代的主要數據傳輸方法。

有別于HC05，JDY-10M不僅具備透傳功能，還具備藍牙組網的功能，大大擴展了其實用性。JDY-10M透傳模塊基于藍牙4.0協議，工作頻段2.4 GHz，調制方式為GFSK，最大發射功率8 db，最大發射距離50 m，具有低功耗、尺寸小、信號強、數據傳輸穩定等特點；模塊支持Android和IOS系統的手機數據透傳，支持一對一、一對多、多對多數據傳輸與控制；支持組網LED燈等功能。

1.3 溫濕度模塊

本系統的溫濕度傳感器采用DHT11模塊，它是一種具有校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。采用特殊的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證了產品的高可靠性和優良的長期穩定性。數字式溫濕度傳感器DHT11濕度測量范圍為5%～95% RH，其誤差值在±5% RH以內；溫度測量范圍為-20.0～+60.0 ℃，其誤差值在0.2 ℃以內。其較低的功耗完全能由電池承擔，不需要額外的電路接入。

DHT11的校準系數以在信號被檢測的處理期間，由傳感器內部調用的程序的形式儲存在OTP內存中。單總線串行接口使得系統集成更容易、更快，四針單排引腳功能如表1所示，其技術資料很容易在網上獲得，這里不再贅述。

1.4 聲光報警模塊

在超出預設值的警告方面，采用了聲光報警的模式，利用單片機的中斷系統，通過隨時設定從機的溫濕度報警值，來達到目的。

具體來說，根據單片機接收的溫度和濕度傳感器發送的數據，對其進行處理，并與參數設置的上限和下限進行比較，如果高于上限值，則報警并正常顯示數據。

在報警電路中，聲光報警系統由紅色LED和蜂鳴器構成，當輸入溫度和濕度的上限和下限時，系統將進行實時采樣，并判斷溫度和濕度與輸入的溫度和濕度之間的差異。當檢測到的實時溫度和濕度高于設定值時，將發出警報，即紅色LED亮起，蜂鳴器鳴響。

2 管理平臺需求分析

2.1 管理平臺總體設計

智慧農業溫濕度監測系統分為5大模塊，包括2個基礎模塊和3個功能模塊，具體如下。

串口通信模塊：基礎模塊。包含串口通信功能的實現和異常處理的重構。

數據庫模塊：基礎模塊。包含數據庫的初始化操作和基本的功能操作。

用戶管理模塊：功能模塊。通過設置管理員，對系統進行保護；通過調用數據庫模塊，對儲存在數據庫的管理員進行增刪改的操作。

數據處理模塊：功能模塊。由于數據是以bit進行傳輸的，需要對數據進行一定程度的處理才能使用。本模塊可對數據進行處理保存，并可進行顯示、查找、更新等操作。

界面：功能模塊。為可視化的界面，方便用戶操作系統。

2.2 上位機與下位機之間的串口通信

串行通信指按位發送和接收字節，其最重要的參數是比特率、數據比特、停止比特和奇偶校驗。對于兩個通信端口，這些參數必須匹配。

波特率是以每秒比特數的形式從發送器向接收器傳輸數據的速度，數值越高，就可以在越短的時間內傳輸更多的數據。波特率的標準一般是1 200，2 400，4 800，9 600等。但是由于接收端的采樣頻率不匹配，一般波特率的閾值為11 520，本設計的波特率設置為9 600。

本設計利用RXTX實現了上位機與下位機的串口通信，由于傳輸數據和接收數據是按bit進行，為了方便操作，設計了兩個相應的功能函數，進行十六進制轉bit操作與bit轉十六進制操作，方便讀寫。

2.3 數據庫與數據表的設計

本設計基于MySQL數據庫，是一個關系型數據庫管理系統。作為目前最廣泛使用的數據庫，MySQL的應用為溫濕度監測得到的數據提供了良好的數據存儲場所；作為關系型數據庫管理系統，能將數據存儲在不同的數據表。不僅操作簡單方便、功能可靠，還提高了數據庫的運行速度和靈活性。

2.4 其余功能函數

在具體功能實現的過程中，會用到一些相同或相似的操作，方便起見，本設計額外編寫了輔助函數，如獲取當前時間函數、數據轉換函數等。其中，由于獲取的數據為十六進制字符串，而且只取其中幾位，故而編寫了數據轉換函數，將字符串數據中需要的數據取出，轉換成十進制字符串，再根據存儲規則存入數據庫。

3 下位機功能實現

3.1 藍牙協議設計

本設計共有9個藍牙設備，其中有串口屏的為主機，其余8個為從機，按序號分成1—8號從機。輪詢機制為主機首先訪問一號從機，若一號從機有數據，則一號從機向主機發送數據，若一號從機沒有數據，則向主機發送控制幀，表示沒有數據可以發送；訪問完一號從機后，主機訪問二號從機，若二號從機有數據，則二號從機向主機發送數據，若二號從機沒有數據，則向主機發送控制幀，表示沒有數據可以發送。如此，6個從機依次進行，訪問完8個從機后，主機會再次返回到一號從機，循環進行。

藍牙構建網絡為星形拓撲網絡，在藍牙網絡中，主機控制網絡內各個設備之間的通信。藍牙協議規定，在網絡內部，只有主機可以訪問從機，而從機不能訪問主機，從機之間也不能相互訪問。基于此，藍牙開發公司設計了一種網絡內部的調度機制，主機在一次循環中只可以訪問從機一次。

3.2 溫濕度傳感器程序設計

DHT11采用單總線，即只有一根數據線。自用戶發送第一次信號開始，它從低速轉換到高速模式。主機的開始信號結束后，DHT11開始發送相應信號，并觸發一次信息采集。

在接收數據時，等待數據線拉高，延長一段時間后，再次檢測數據線是否為高。溫濕度的讀取流程如圖2所示。

當主機檢測到DHT11應答信號并確認無誤后，將接收和識別來自DHT11的溫濕度數據信號。其中，高電平短表示數字0，高電平長表示數字1。

用戶發送一次開始信號（低電平）DHT11從低速模式轉換到高速模式，等待主機開始信號（拉高）后，DHT11發送相應信號，送出40 bit的數據，并觸發一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數據。

等待數據接收完畢后，從機會對數據進行校驗處理，對于從機，設定一個初始的警報值，當溫濕度超過這個界限時，LED發光報警。之后，將數據存入寄存器，等待數據發送，待數據發送完畢后清空發送標志位，延時后等待下次發送。如表2所示，為所發送的數據中有效部分的組成格式。

3.3 延時模塊

由于單片機一般是以晶振頻率MHz為機器周期計算，如果晶振是12 MHz，那么它的機器周期就是12/（12×10^6）=1 μs，這代表這個計數器每計數一次需要1 μs。

通常情況下，在12 MHz晶振下，16位定時器滿計數是65 536次，每次1 μs，最大能計時65.536 ms，那么65 536減去多少就是定時多少，如（65 536-X）/256，就是定時X μs。那么T=1/（X/12）就是一個機器周期，（65 536-Z（初值））×T就是定時的時間，

如是12 MHz的晶振，那么TH0=（65 536-50 000）/256，TL0=（65 536-50 000）/256，就是設置了50 ms的定時。

3.4 串口屏程序設計

本系統所用串口屏為USART HMI智能串口集成TFT液晶模塊，其最大的特點是所有的控件都以地址區分，類似于C51的地址指針，且這個地址對應的存儲空間是獨占的，所有空間都是用地址表示，可以將其理解為雙口RAM。定義好一個地方，再將這個地方放上數據或參數，那么HMI屏幕就會按照定義的對外提取數據并顯示在界面上。不同的數據對應不同的界面，屏幕在顯示數據時會提取控件里分配的地址，因此數據可以隨時更新。編寫程序在屏幕里執行后，系統會進行數據處理、數據比較、頁面切換等。

4 上位機功能實現及測試

4.1 Web服務器

智慧農業溫濕度監測平臺與服務器之間采用WebSocket協議。首先，客戶端向Web服務器發送HTTP請求；然后，服務器會對這個請求解析并做出響應和執行；最后，生成HTTP格式數據包返回客戶端。

4.2 React簡介

前端利用React技術。React是一個用于構建用戶界面的JavaScript庫，主要用于構建UI，許多人將其視為MVC體系結構的視圖部分。使用React開發可以輕松地創建用戶交互界面，設計簡潔的狀態視圖，在數據改變時，可以高效地更新渲染界面。因其使用了虛擬DOM的概念，性能更好、速度更快。

4.3 服務器設計

本系統采用“前端+后端”的形式，前端接收到數據或請求發送給后端，調用后端相應接口進行數據處理，并將結果返回給前端。主要利用GetMapping與PostMapping兩種注解，GetMapping主要用于處理get請求，Post Mapping主要用于處理post請求。在前端會將打包回來的數據進行解析，提取有用的部分進行操作。

4.4 功能測試

4.4.1 采集數據測試

先要安裝設備，包括藍牙模塊與電源，安裝好后，打開主機與8個從機，等待連接。因為超過預定的溫濕度限制會亮燈并發出警報，會擾亂宿舍環境，故將溫度與濕度調高，使其在正常工作的前提下不會觸發警報。

選取一天的上午9點到下午1點，每隔半小時手動記錄溫濕度的數據。由于數據重復，選擇每4個從機取一個平均值，記錄如表3所示。

當溫度或濕度超過設定數值時，觸發聲光報警，功能測試正常。

4.4.2 歷史記錄功能測試

經過斷斷續續的選取，在系統的歷史記錄功能中進行展示，如表3所示，可正常保存溫濕度數據。在保存中，按照相應的邏輯，只有當數據發生變化時進行保存，效率更高，對于使用者也非常友好。

4.4.3 信息服務功能測試

在信息服務中展示預存儲的一些常見作物，這些作物相對于大棚種植所耗費的資源來說，種植所得的經濟收益更高，也符合新型職業農民的種植需求。

4.4.4 串口通信功能測試

在串口界面，管理員可以根據接入的串口進行選擇連接，在連接過程中會有相應的提示，如連接失敗，一般為串口已被占用、不是串口設備、監聽串口過多等；如果成功，會提示連接成功。

5 結語

本設計基于高性能的STM32嵌入式處理器，通過連接數字溫濕度傳感器，采用藍牙無線通信的方式，傳輸收集到的溫濕度數據并集中控制。將8個分散出去的從機采集到的數據通過藍牙無線傳輸模塊發送給主機，在主機上通過串口屏將數據依次顯示，并制作了可視化界面便于管理者隨時查看歷史信息。

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（編輯 沈 強）

Design of intelligent agricultural temperature and humidity monitoring system based on bluetooth communication

Ren? Minghui

（Heze Special Communication Bureau， Heze 274000， China）

Abstract： Temperature and humidity monitoring is an important part of greenhouse management. The traditional temperature and humidity collection technology has problems such as high laying and maintenance costs， low automation， and large operational risks. In response to the above situation， the article designs a new type of agricultural temperature and humidity monitoring system， which collects data by connecting digital temperature and humidity sensors， transmits temperature and humidity data through bluetooth wireless communication and centralized control. At the same time， a database and visualization interface based on Java are used to store and view the data， in order to reduce laying costs， optimize operation modes， and improve agricultural automation level To ensure the effectiveness of agricultural safety production and provide technical reference for digital management of agricultural greenhouses.

Key words： Internet of Things; temperature and humidity sensor; bluetooth; serial communication