基于WiFi的智能園林管理系統設計與實現

魏佳敏，常新峰

（平頂山學院信息工程學院，河南平頂山 467000）

面對全球范圍內的環境污染、空氣陰霾問題，建造城市人工綠化園林是改善自然環境的有效措施，但在園林管理方面，我國仍處于相對落后的地位，尚未形成完善的園林管理系統[1]。當前我國園林管理多以人工方式進行管理，城市園林養護和監督管理工作中的問題日益突出，傳統方式已不適應園林建設發展速度。因此對智能園林管理系統的研究是十分迫切的，為提升園林管理效率，該文融合嵌入式技術、傳感器技術和WiFi 通信技術，設計和開發一款基于WiFi的智能園林管理系統。

1 系統總體設計方案

該智能園林系統以STM32F103C8T6 單片機作為核心控制器，采用WiFi 通信完成遠程傳輸[2]。該系統由采集與控制端，數據傳輸端以及遠程監控信息端組成，分別對應于物聯網三層體系架構的感知層、網絡傳輸層以及應用管理層[3]。

采集與控制端由溫濕度模塊，土壤濕度模塊以及煙霧模塊等構成，實現不同環境數據的采集，并將數據傳遞給主控模塊。系統選用七針的OLED 屏作為顯示模塊，蜂鳴器作為報警模塊，及采用繼電器控制水泵來實現控制模塊。

數據傳輸端主要由ESP-8266WiFi 模塊及ONENET云服務器構成。WiFi模塊通過串口AT指令與單片機通訊，實現數據傳輸端與采集控制端的數據交互。基于EDP 協議，將主控模塊整理打包的數據通過WiFi發送至ONENET 云平臺。

遠程監控端主要通過客戶端APP 實現。一方面，數據通過云平臺的儲存和轉發到手機APP，實現數據的可視化監控。另一方面，用戶可通過手機APP 下發命令，經云服務器轉發后，由硬件設備進行命令解析與響應，實現遠程控制。

智能園林系統的總體框圖如圖1 所示。系統可完成各項環境參數的采集，實現閾值的設置及環境參數的管控、數據的遠距離無線傳輸以及用戶實時的控制操作。

圖1 系統框圖

2 硬件設計

系統由主控模塊單片機、電源電路、數據采集電路、WiFi 通信電路以及顯示電路構成。電源電路為該系統供電，顯示電路用于顯示各環境參數的數值和當前模式[4]。傳感器數據采集電路由溫濕度、煙霧濃度、土壤濕度等模塊構成，用于檢測對應的環境參數，獲取相應的信息。WiFi 通信電路用于實現傳感器部分采集的數據與云平臺之間的交互。

2.1 STM32單片機

智能園林系統選用STM32F103C8T6單片機作為主控模塊，其適用的溫度在-40～85 ℃，適用范圍較廣，性能穩定。該系統選用3.3 V電壓，單片機的I/O口數量適中，在進行合理的部署與設計下，可以很好地滿足該系統的需求。單片機最小系統是保證單片機工作的基礎，其最小系統電路圖如圖2所示。通過傳感器模塊、顯示模塊、通信模塊連接，可實現智能監測控制[5]。

圖2 STM32F103C8T6最小系統電路圖

2.2 數據采集電路

數據采集電路可細分為溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度采集電路。

溫濕度信息采集選用DHT11 模塊，溫濕度的精度及可測試的范圍均可滿足該系統的需求，DHT11的測溫、測濕功能分別由其內部的NTC 測溫元件和電阻式感濕元件來實現。它們獲得溫度和相對濕度的模擬量后，經內部的AD 轉換器轉換成數字量，由單線串行接口發送到單片機。將DATA 數據口接單片機PB11 口，另外兩個引腳分別與VCC 與地進行相應的連接，為DHT11 供電。接口電路如圖3所示。

圖3 DHT11接口電路圖

煙霧濃度采集電路選用MQ-2 煙霧傳感器。在該系統中，采集該模塊的模擬量輸出，即選用AO 模擬電壓輸出端，使其與單片機的ADC1 通道5 相連，即PA5 引腳。TTL 電平輸出引腳（DO 引腳）做懸空處理。由于MQ-2 中氣敏材料的特點，當煙霧濃度變大時，電導率相應的變大，輸出電阻的阻值也會相應的越低，從而MQ-2 模塊輸出的模擬信號也會隨之變大，主控芯片進而通過模數轉換實現數據的收集。煙霧傳感器模塊接口電路圖如圖4 所示。

圖4 煙霧傳感器接口電路圖

該系統中采用YL-69 型土壤濕度傳感器來進行土壤濕度的檢測，其原理是將土壤作為一個可變電阻。利用兩個插片連接這個可變電阻，當土壤濕度大時，該電阻值會減小，反之，電阻值會變大。對應濕潤度的標定，選用輸出電壓的模式，通過接入單片機將模擬量輸入，進而轉換成相應的數值。將傳感器AO 引腳其與單片機PA4 相連，進行模數轉換，并根據一定的算法得出當前的土壤濕度。其接口電路原理圖如圖5 所示。

圖5 土壤濕度接口電路原理圖

2.3 顯示電路

該系統顯示模塊選用0.96 寸七針OLED 顯示屏，由于其自發光的特點，不再添加背光。其顯示區域為128×64 的點陣，具備小巧輕便、顯示效果清晰、耗電較低、對比度高的特點[6]。模塊共有七個管腳，采用SPI 方式驅動OLED。硬件設置上1-7 腳分別接單片機的PB12、PB14、PA8、PB15、PB13、電源和GND[7]。接口電路原理圖如圖6 所示。該部分用來顯示各數據參數，以及手動/自動模式的狀態。

圖6 OLED顯示屏接口電路圖

2.4 WiFi通信電路

遠程數據監控終端與數據傳輸端進行交互時，起關鍵作用的就是無線通信模塊部分。該系統用ESP8266WiFi 模塊與ONTENET 平臺進行通信。且其價格低、穩定性高、串口速率可達4 Mbps。ESP8266WiFi 模塊可支持高性能的無線SOC，可通過AT 指令快速上手，并且支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三種工作模式。

該設計中，從以上的工作模式中選擇STA 模式作為WiFi 模塊的工作模式，完成手機與通信模塊之間的數據通信。通信模塊與單片機之間通過串口來相互通信，單片機會將采集到的各種環境數據進行打包，并用串口傳輸的方式上傳到WiFi 模塊[8]。數據由WiFi 模塊根據EDP 協議將環境數據轉成相應的格式發送到云平臺，消息類型選擇SaveData 類型，消息子類型采用JSON 格式串[8]。通信模塊的RX、TX 口分別接單片機的PA3（TXD）口和PA2（RXD）口，WiFi模塊電路接口電路圖如圖7 所示。

圖7 ESP8266電路原理圖

3 軟件設計

3.1 系統終端程序設計

軟件設計的主要任務：STM32 單片機使用單總線獲取DHT11 模塊采集到的溫濕度大小，通過DMA雙ADC 接口來連接煙霧濃度模塊、土壤濕度模塊，在采集到傳感器的模擬量后，通過算法得到煙霧濃度和土壤濕度的值。當煙霧濃度超標時，驅動蜂鳴器進行報警。使用USART2 串口進行單片機與WiFi模塊的通信，然后將采集到的環境數據上傳到ONENET 物聯網云平臺上，云平臺下發手機APP，從而進行數據的可視化顯示，同時可以在APP 界面進行一些控制命令的下發，如管理系統的模式設置及水泵的運行[9]。主程序流程示意圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程示意圖

軟件部分總體工作流程如下：

1）初始化系統及各個模塊的設置：系統時鐘的初始化、串口USART1 的初始化、定時器TIM2 及TIM3 初始化以及OLED 顯示屏、DHT11、ADC、土壤濕度與煙霧模塊的初始化[10]。

2）WiFi 通信模塊初始化：WiFi 模塊I/O 初始化及復位、將ESP8266 模塊的命令收發模式設置為STA、通過STM32 發送相關的AT 指令、控制WiFi 通信模塊連接上路由器[11]。

3）接入云平臺：若連接成功，就將單片機采集到的環境數據每2～3 s 一次通過WiFi 模塊發送到ONENET 云服務器，并更新數據到OLED 顯示屏上。

4）手機端APP 可以控制系統的運行模式，在手動模式下，可通過APP 下達水泵的開啟與關閉命令，執行相應的動作。在自動模式下，系統根據設置的土壤濕度范圍進行自動調整，當土壤濕度小于20%RH 時，立刻打開水泵澆水的，在土壤濕度大于35%RH 時，進行關閉水泵的操作。

3.2 溫濕度模塊子程序

首先，進行DHT11 的初始化，配置PA11 引腳的模式，將其配置為推挽輸出模式，而后根據模塊的時序圖進行相應的配置。由于總線空閑狀態為高電平，所以將PA11 引腳拉高。接著進行DHT11 的復位操作，設置DHT11 的I/O 口為輸出模式，配置為拉低至少18 ms，接著再拉高20～40 μs，在這段時間內等待DHT11 的回應，這時需要改變I/O 口為輸入模式，等待DHT 傳輸的低電平。若等待100 μs 仍未拉低則返回1 表示錯誤，未檢測到DHT11 的存在，若檢測到低電平后在檢測到高電平則返回0，表示DHT11存在。

當檢測到DHT11 后，則需要讀取數據。首先，編寫DHT11_Read_Bit()函數來讀取一個字節，即檢測到DHT11 的低電平后，延時40 μs，若仍為高，則讀取一位數據為1，反之則為0。編寫函數DHT11_Read_Byte()利用循環左移八位來讀取一字節的數據。DHT11 模塊傳輸一次完整的數據為40 bit，數據格式分為五部分：濕度整數及小數數據、溫度整數及小數數據、校驗和，每部分占8 bit 順序傳輸，當數據傳送正確時校驗和結果等于前四部分相加。只獲取整數部分作為測得的溫度與濕度值。溫濕度模塊子程序流程圖如圖9(a)所示。

圖9 子程序流程圖

3.3 土壤濕度模塊、煙霧模塊子程序

首先，進行對AD 端口的初始化，配置單片機的PA4 和PA5 引腳為輸入模式，而后配置ADC 通道4和通道5 初始化，定義土壤傳感器為ADC 通道4，定義煙霧濃度傳感器為ADC 通道5，使能指定的ADC1的軟件轉換啟動功能[12]。等待轉換結束后，循環獲取五次ADC 規則組的轉換結果，即循環獲取五次采集的值，再取平均值，以使結果更加準確。由于單片機ADC 為12 位，所以測出值為0～4 096，將值縮小40.96 倍，使結果取值范圍為0～100，由于ADC 獲取數值與需要的值相反，因此需用100 減去得到的值。土壤濕度模塊子程序流程圖如圖9(b)所示，煙霧模塊子程序流程圖如圖9(c)所示。

3.4 OLED顯示模塊子程序

首先，進行OLED 屏幕的初始化，設置PB12、PB14、PA8、PB15、PB13 端口為推挽輸出模式，復位SSD1306，驅動IC 初始化代碼，清零顯存，開始顯示[13]。接著設置命令口的地址，判斷讀狀態字忙時，進行寫命令寄存器，等待初始化完成后，設置數據口的地址，再次判斷讀狀態字狀態，讀狀態忙時，寫顯示數據，并將取模軟件取出的數據寫入。模塊子程序流程圖如圖9(d)所示。

3.5 系統應用設計

系統應用程序主要包括Web 程序、手機APP 程序兩個部分組成。APP 和系統終端之間的數據交互是通過ONENET 平臺來實現。在該設計中采用EDP協議接入，EDP 是ONENET 平臺特有的傳輸協議。該協議基于TCP 進行傳輸，具有較強的功能，可以實現數據的上傳、下發及轉發功能，接收數據時支持七種格式，實現起來也較為簡單。

系統內置傳感器采集到的溫度、濕度以及煙霧等各類數據，借助STM32 嵌入式平臺的WiFi 功能上傳云平臺[14]。ONENET 平臺可以實時接收來自系統終端的數據，并對數據進行分析、監測、存儲等，也可以將接收的數據實時同步到手機APP 端，用戶通過APP 可以實時的查看植物的生長情況，方便用戶進行遠程監控。ONENET 也可以接收來自APP 的控制命令數據，通過ONENET 云平臺進行命令的轉發，隨后下發至硬件部分進行命令的解析，實現遠程的操控[15]。在平臺的應用設計界面，針對不同的數據流添加不同的圖標來進行表示，同時也可以添加相應的控件進行命令的下發，如圖10所示。

圖10 應用開發界面

在應用區設計了由基礎元素和控制元素構成的組建庫，基本元素包含了對植物生長情況的數據統計，如溫度、濕度、土壤濕度以及煙霧濃度的儀表盤。控制元素主要包括了開關功能按鈕，實現對園林系統模式的遠程控制[16]。

4 系統測試

1）當系統上電后，各模塊進行初始化，OLED顯示屏顯示出當前的溫度為25 ℃，相對濕度為30%RH，土壤濕度顯示66%RH，模式顯示為自動模式，DHT11模塊、土壤濕度模塊功能正常運行，能夠正確地獲取當前的環境數據。系統實現了溫度、濕度、土壤濕度的實時監測功能。而煙霧顯示為1 000 ppm，這是由于煙霧模塊的初始化，其數值先達到最大值，再慢慢降下來，所以起初蜂鳴器將進行報警，等待片刻，當煙霧濃度小于750 ppm 時，停止報警。

2）測試自動模式，當土壤濕度傳感器浸沒在水中時，OLED 顯示土壤濕度為53% RH。將土壤濕度模塊拿出水面后，土壤濕度降為0，水泵開始工作，再將土壤濕度放入水中，土壤濕度為72% RH，水泵停止工作。根據上述測試，自動模式正常工作，系統實現了智能灌溉。

3）測試煙霧超標報警，用火機制造煙霧，此時煙霧濃度顯示為1 000 ppm，蜂鳴器進行報警，隨后等煙霧值小于750 ppm 時停止報警。

4）接著用手機開熱點，使與WiFi 模塊進行連接，設置手機熱點名稱與密碼，保持與代碼相一致，打開手機APP，可觀察到接收到來自ESP8286 的數據顯示在屏幕上。將接收到的環境數據與OLED 顯示的環境數據作對比可知，系統的通信功能測試正常。在APP 上將自動模式切換到手動模式，OLED 顯示屏模式顯示同樣由自動變為手動模式。在手動模式下，通過APP 開關控制水泵為開啟狀態，水泵執行相應操作，系統實現了WiFi通信功能。

按照該文的功能需求，開發了系統硬件部分，微處理器能夠穩定運行，能夠順利采集溫濕度和煙霧數據，并在顯示屏上顯示當前數據，同時能夠將數據通過無線發送至服務端。當采集的數據出現異常時，能夠及時按照目標自動實時控制水泵澆水，保證土壤濕度在設定的范圍內。

5 結論

該文設計了一款基于WiFi 通信技術的智能園林管理系統。該系統主要實現對植物生長環境中溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度等參數自動化采集與傳輸，借助ONENET 云平臺與WiFi 通信技術的結合，實現遠程對數據的可視化分析及管理，使用戶能夠隨時隨地進行系統訪問觀測數據，方便及時管理。今后可與人工智能、大數據、云計算等技術進一步結合，打造真正的智慧化智能園林體系。