李戈琦等

摘要：基于Arduino控制板，設計了一套時效性強、方便易用的土壤溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Arduino Ethernet控制板為核心，采用DHT11高精度傳感器為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊，通過網(wǎng)絡將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺，并使用瀏覽器或者智能手機隨時查看。通過分析及試驗表明，該系統(tǒng)精確度高、成本低，是一套可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)機械化有極大的促進作用。

關鍵詞：Arduino；溫濕度；遠程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：S714 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4060-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.059

Design of Soil Temperature and Humidity Remote Monitor System Based on Arduino

LI Ge-qi， ZHANG Yan，XIANG Lun-lun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University，Haikou 570228， China）

Abstract：Based on Arduino control board， a timeless， easy-to-use soil temperature and humidity remote monitor system was designed. With Arduino Ethernet as control center， DHT11 high precision sensor as the data collector module of temperature and humidity， the data of temperature and humidity were sent to networking platform by internet， and then using any browser or smart phone to read. From the analysis and experiments， this system have high precision and low cost， is reliable monitoring system which can play important role for the agricultural mechanization.

Key words： Arduino； temperature and humidity； remote monitor； internet of things

隨著科學技術的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械化、智能化及現(xiàn)代化已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。尤其近年來移動互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，4G、Wlan、GPRS等無線通信的出現(xiàn)[1]，手持互聯(lián)網(wǎng)終端的廉價化以及多樣化、物聯(lián)網(wǎng)等新概念的提出，都為實時狀況監(jiān)測提供了必要條件，使人們隨時隨地了解所需信息成為可能。而土壤作為農(nóng)業(yè)的根基，對作物生長有著深遠的影響。了解土壤的各項指標，才能把握住農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良好時機并做出應對措施。本設計利用硬件開源平臺Arduino以及諸多程序代碼以及免費的物聯(lián)網(wǎng)平臺來實現(xiàn)遠程實時土壤溫濕度監(jiān)控，具有時效性強、成本低廉、結構簡單的特點。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 Arduino控制板

Arduino是一個開源硬件項目平臺，核心設備是一個ATmega128微控制器。該平臺包括一塊具備簡單I/O功能的電路板及一套程序開發(fā)環(huán)境軟件[2]。所選擇的Arduino Ethernet是一塊Arduino網(wǎng)絡版，將微型處理器換成了性能更加優(yōu)異的ATmega328，并同時具有14路I/O數(shù)字接口（其中6路可作為脈沖寬度調制輸出），6個analog輸入接口，一個16 MHz晶振，一個有線網(wǎng)絡接口，同時附帶儲存卡插座以及直流電源孔，和一個重啟按鈕[3]。本設計通過該主控板將傳感器采集的數(shù)據(jù)處理后，通過有線網(wǎng)絡發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)（圖1）。相對于其他微型控制器開發(fā)平臺，Arduino最大的優(yōu)點就是它的易用性，并在相當短的時間內開發(fā)出自己的項目。

1.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器屬于數(shù)字傳感器的一種，其功耗低、抗干擾能力強、體積小、價格低，能同時測量溫度與濕度，滿量程校準，而不需要重新校準，可以互換使用，快速響應時間，滿足使用要求。傳感器以電阻式濕敏元件和熱敏電阻作為測溫元件的集成，連接一個8位微處理器[4]。將已調校正確的數(shù)據(jù)燒錄進一次性可編程只讀存儲器，傳感器內部檢測信號處理過程中會直接讀取。該傳感器精度高、工作簡易快捷，其性能指標如表1所示。

由于DHT11傳感器外形小巧，可輕松封裝進金屬保護殼中，在使用過程中插入土壤，能提高測量精度。圖2是加裝了銅鍍鋁合金外殼的DHT11傳感器，耐腐蝕性大幅提升，除測量土壤數(shù)據(jù)外，更可以用預埋或打孔插入等方式測量混凝土的溫濕度。

圖3為DHT11傳感器。它與控制板都是采用1-Wire格式通信，一次通訊可以發(fā)送40 bit的數(shù)據(jù)，可將溫度和濕度的具體數(shù)據(jù)拆分為2個部分發(fā)送：整數(shù)部分與小數(shù)部分，每個部分占用8 bit，余下8 bit數(shù)據(jù)為校驗后的正確數(shù)據(jù)。傳感器為4pin引腳封裝，從左到右分別為Pin1電源+極、Pin2串行數(shù)據(jù)、Pin3空腳、Pin4地線。當控制板發(fā)送啟動信號之后，傳感器開始工作，并從低能耗待機模式轉換為高能耗工作模式。在控制板的啟動信號發(fā)送完成后，觸發(fā)傳感器進行數(shù)據(jù)采集，然后將40 bit的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制板?？刂瓢鍥]有發(fā)出程序開始信號時，傳感器不會采集土壤數(shù)據(jù)，以低能耗模式待機。endprint

1.3 系統(tǒng)連接

將DHT11傳感器的Pin1與Arduino主控板的5 V電源相連，Pin2接上數(shù)字輸入接口，Pin4接上GND，如傳感器與主控板之間距離小于20 m，則需要在數(shù)據(jù)跟電源之間并聯(lián)上5 kΩ的電阻。將有線寬帶接入主控板的RJ45接口，并插上5 V DC電源。所有硬件連接完畢后，在下一個環(huán)節(jié)輸入代碼，整個系統(tǒng)便可正常運行。DHT11引腳接線圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IOT）的基本思想來自于20世紀末，1999年美國麻省理工學院研制的無線射頻身份識別（RFID）系統(tǒng)標志著物聯(lián)網(wǎng)的雛形的出現(xiàn)，將所有物品加裝無線射頻識別模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)對物品的管理與識別。隨著信息技術的進步，物聯(lián)網(wǎng)概念得到進一步拓展，即“以未來網(wǎng)絡為基礎，能自我配置的全球性網(wǎng)絡設施，網(wǎng)絡上的每個單位都有惟一的物理特征或編碼，通過良好的交互界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與分享”[5]。中國物聯(lián)網(wǎng)技術的早期發(fā)展，可以追溯到20世紀末的物聯(lián)網(wǎng)核心傳感器網(wǎng)絡技術研究。2009年8月，溫家寶的“感知中國”講話促進了我國物聯(lián)網(wǎng)領域的深入研究和應用開發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)正式列為了我國五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，使得我國的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，并涌現(xiàn)出一批以樂聯(lián)網(wǎng)為首的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。該平臺的出現(xiàn)，極大地方便了個人和小型企業(yè)用戶。

圖5為系統(tǒng)實物連接圖，圖6為本系統(tǒng)設計的電路原理圖。在本系統(tǒng)設計中，選擇樂聯(lián)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)平臺。它的特點有：①簡單易用，只需稍微設置網(wǎng)絡與設備便可輕松使用；②優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力，可以完成海量數(shù)據(jù)的存儲和訪問，并提供數(shù)據(jù)分析；③多客戶端，手機App可以隨時查看數(shù)據(jù)，時效性強。在注冊樂聯(lián)網(wǎng)賬號之后，進入個人中心，查看網(wǎng)站分配的惟一API接入ID，此API ID作為上傳數(shù)據(jù)的用戶身份標識，具有惟一性。

2.2 Arduino IDE

給Arduino寫入程序，并讓它按規(guī)律完成使用IDE（集成開發(fā)環(huán)境），它是開發(fā)者提供給用戶的一款免費軟件，并使用Arduino可理解的語言（跟C語言類似）來開發(fā)程序。由于Arduino的硬件和軟件都是開放的資源，這意味著代碼以及程序設計可以被任何人使用、加工和發(fā)布。并且IDE中集成了多種多樣的程序代碼。LeweiClient--append_send調用預置的物聯(lián)網(wǎng)通訊LeweiClient庫，與服務器進行單向通信。

代碼如下所示：

#include //調用Leweiclient庫

#include

#include

#include

#define LW_USERKEY "b7f28ecde1a6475093c

f05ed802b7596"http://樂聯(lián)網(wǎng)的API接入ID

#define LW_GATEWAY "01"http://樂聯(lián)網(wǎng)傳感器01號端口

#define POST_INTERVAL （30*1000） //延時更新 30秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)

LeWeiClient *lwc；

補充溫濕度轉換代碼：

#define DHT11PIN 2 //傳感器

dht11 DHT11；//溫濕度轉換函數(shù)

double dewPoint（double celsius，double humidity）

{

double A0= 373.15/（273.15 + celsius）；

double SUM = -7.902 98 * （A0-1）；

SUM += 5.028 08 * log10（A0）；

SUM += -1.3816e-7 * （pow（10， （11.344*（1-1/A0）））-1） ；

SUM += 8.1328e-3 * （pow（10，（-3.491 49*（A0-1）））-1） ；

SUM += log10（1013.246）；

double VP = pow（10， SUM-3） *humidity；

double T = log（VP/0.610 78）； //temp var

return （241.88 * T） / （17.558-T）；

}

double dewPointFast（double celsius，double humidity）

{

double a = 17.271；

double b = 237.7；

double temp=（a * celsius）/（b + celsius） + log（humidity/100）；

double Td = （b * temp） /（a - temp）；

return Td；

}

3 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)特點在于信息的遠程監(jiān)控、多客戶端監(jiān)控，時效性高。實測證明，該系統(tǒng)的溫度測量精度為±2 ℃，濕度測量精度為±5%RH，數(shù)據(jù)更新頻率30 s/次。DHT11溫濕度傳感器作為新一代的傳感器，智能化程度高，內置了校驗數(shù)據(jù)使采集的數(shù)據(jù)更為精確，并且在沒有收到主控板指令的時候為待機狀態(tài)，能耗更低。

4 小結

傳統(tǒng)的土壤溫濕度檢測方法有直接測定法（人工取土進行試驗研究）、間接測定法（測定土壤中與濕度有關的物理參數(shù)、GPS田間定位法和遙感法[6]。這些方法測定過程復雜、無法連續(xù)檢測、周期長、效率低、人為誤差較大，而且管理方式落后，與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機械化理念相悖，并且要安排專人值守，人力資源過度浪費。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤溫濕度采集工作頻繁，該系統(tǒng)不但可節(jié)省大量人力物力，更可實現(xiàn)土壤溫濕度的遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)在精度與誤差控制上，與傳統(tǒng)方法相比有突出的優(yōu)點，并且采集速度更快。由于使用了模塊化設計，該系統(tǒng)成本低廉，易于安裝與維護，適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣。

參考文獻：

[1] 秦 華，孫曉松.基于Arduino/Android的環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技，2013（1）：59-61.

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012（8）：155-157.

[3] 袁本華，董 錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012，40（8）：5049-5050.

[4] 倪天龍，單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（6）：60-62.

[5] 孫其博，劉 杰.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（3）：1-9.

[6] 熊麗萍.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田土壤溫濕度檢測[J].電子世界，2014（10）：60.