基于 Arduino 和 WiFi 的溫室監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的改革與發(fā)展，溫室大棚因其涉及范圍廣、科技含量高、與人們生活密切相關(guān)等，已成為各國農(nóng)業(yè)飛速發(fā)展的必要條件。實現(xiàn)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測，實時監(jiān)測大棚內(nèi)溫濕度和光照等環(huán)境因素是否穩(wěn)定，各環(huán)境因素是否在植物可接受范圍內(nèi) [1]，最終達到植物生長所需的最佳環(huán)境因素。

本文系統(tǒng)將 Arduino 單片機、各類環(huán)境因素相關(guān)的傳感器、ZigBee 無線通信和手機 APP 開發(fā)相融合 [2]，設(shè)計一種切實可行的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠符合不同地域的氣候特征，使得溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)都能符合植物正常生長的條件，且總體結(jié)構(gòu)簡單，便于應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 方案設(shè)計步驟

本文方案具體實施步驟如下 ：

(1) 本文設(shè)計由溫度、濕度和光照強度傳感器、Arduino 主控芯片、WiFi模塊、傳感器和手機 APP組成，主要實現(xiàn)溫室大棚中溫濕度和光照信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)查看功能 [3]。

(2) 調(diào)試溫度、濕度和光照強度傳感器的讀值程序。

(3) 使結(jié)果顯示在 APP上，每隔 500ms便發(fā)送數(shù)據(jù)到ESP8266，數(shù)據(jù)以溫度 |濕度 |光照強度的方式傳送并顯示。

1.2 系統(tǒng)總體框圖

系 統(tǒng) 采 用 Arduino主 控 芯 片，ESP8266串 口 WiFi， LM35溫度傳感器，HR202濕度傳感器和BH1750光照傳感器，總體框圖如圖 1 所示。

1.3 系統(tǒng)整體功能

系統(tǒng)主程序流程如圖 2 所示。電路板通電后，溫度、濕度和光照傳感器會采集溫室大棚的信息并傳送至 Arduino 主控芯片處理。芯片發(fā)送數(shù)據(jù)至 ESP8266，ESP8266 通過與手機 APP 通信發(fā)送至手機 [4]，按下 WiFi 模塊開關(guān)，手機通過WiFi 模塊發(fā)出的 WiFi 信號與模塊連接，然后打開手機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) APP，APP 會顯示溫室大棚實時對應(yīng)的溫度、濕度和光照強度的測試值 [5]，實現(xiàn)遠距離監(jiān)測報警功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino 單片機

簡單來說，Arduino 單片機是一個基于開放和構(gòu)建原始碼的軟硬件平臺，并且擁有廣泛的類似 Java 與 C 語言的編程環(huán)境 [6]。Arduino 簡單易懂、操作簡單，包含硬件部分各種型號的操作板和軟件部分的 IDE 編程環(huán)境。Arduino IDE編程利用基于 Wiring 的編程語言和 Arduino 開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)。

2.2 LM35溫度傳感器

經(jīng)過對溫度傳感器性能與安全方面的比較，本文系統(tǒng)選擇 LM35 作為采集溫室大棚溫度值的傳感器。該傳感器工作性能穩(wěn)定，測量精度高，誤差較小，額定使用范圍廣，可直接接電源工作，工作流程如圖 3 所示。

2.3 HR202 濕度傳感器

經(jīng)過對濕度傳感器性能與安全方面的比較，本文系統(tǒng)選擇 HR202 作為采集溫室大棚濕度值的傳感器。該傳感器可廣泛應(yīng)用于各種測試濕度的環(huán)境中，通過電位器調(diào)節(jié)靈敏度。長期使用性能穩(wěn)定安全，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、倉庫、工業(yè)控制和科研等領(lǐng)域 [7]。

2.4 ESP8266 WiFi 模塊

ESP8266 是一款超低功耗的 WiFi 透傳模塊，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備的無線連接領(lǐng)域，可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的通信。ESP8266 能夠獨立運行，也可搭載在其他擴展版上運行，工作時傳輸性能穩(wěn)定，傳輸距離遠。

ESP8266 的高速緩沖存儲器可減少內(nèi)存需求，并且可以從主控芯片接收信息，無線傳輸?shù)剿枰?PC 端或手機APP 等 [8]。該模塊成本低、體積小、傳輸速率快，可直接連接 Arduino 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，有 STA，AP 與 AP+STA 三種工作模式。

2.5 CC2530 ZigBee 無線通信模塊

CC2530 是一種基于 IEEE 802.15.4 的短距離、低功耗的無線通信模塊，具有近距離、低成本、低數(shù)據(jù)速率與自組織等特點。系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，主要適用于自動與遠程控制領(lǐng)域，可工作在 2 400 ～ 2 450 MHz 的公用頻段。通過該模塊可使傳統(tǒng)的串口設(shè)備進行無線連接，主要用于點對點與廣播等通信 [9]。

3 手機 APP 制作與顯示

E4A 是一種專門針對安卓手機 APP 開發(fā)的軟件，由開發(fā)區(qū)與代碼區(qū)兩部分組成。開發(fā)區(qū)針對手機 APP 顯示界面，代碼區(qū)針對手機 APP 的語言編程環(huán)境 [10]。APP 設(shè)計界面如圖 4 所示。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

按照電路圖把模塊與元器件在網(wǎng)孔板上連接成一個整體，下載好程序后開始測試。得到系統(tǒng)測試值，2 個節(jié)點通電后，顯示當前環(huán)境下所采集到的溫濕度和光照強度。硬件實物如圖 5 所示。

通過人為改變節(jié)點周圍溫度與光照等條件，系統(tǒng)測試值發(fā)生明顯變化，并且當溫度值高于上限 30、低于下限 5，濕度值高于上限 1 000、低于下限 200，光照強度值高于上限800、低于下限 10 時，都會有蜂鳴器報警與 APP 界面報警，從而實現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測與移動監(jiān)測報警功能。經(jīng)過多次測量對比，溫度測量值與實際值誤差在 ±0.25 ℃之間 ；濕度值誤差在 2％～ 3％RH 之間 ；光照強度值誤差在 0.5％～ 3％lx之間，總體誤差較小，測量值較準確。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)經(jīng)過方案設(shè)計、硬件制作、軟件開發(fā)調(diào)試、系統(tǒng)測試等一系列步驟，多個節(jié)點都能正常顯示采集參數(shù)與通信，達到了數(shù)據(jù)精度要求。手機 APP 制作成功并安裝到手機，通過 WiFi 模塊連接節(jié)點與手機，節(jié)點間采用 ZigBee 無線通信傳遞數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了手機 APP 上顯示溫、濕度及光照強度與報警功能。