，，，, ，，

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266061；2.山東省高分子材料先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)各項(xiàng)參數(shù)全憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模糊處理，農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及追溯，不利于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推進(jìn)。盡管在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中已有很多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但此類(lèi)系統(tǒng)大多需要在各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)匯總至本地服務(wù)器后上傳廣域網(wǎng)，需開(kāi)發(fā)配套的上位機(jī)軟件系統(tǒng)復(fù)雜，可拓展性差，不利于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，系統(tǒng)線路鋪設(shè)復(fù)雜，在濕度高、光照強(qiáng)的環(huán)境中使用極易使線路老化，縮短使用壽命[1-3]。為解決上述問(wèn)題，本文提出基于Arduino、ESP-01S和樂(lè)聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，本方案將各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)透?jìng)髦苯由蟼鳂?lè)聯(lián)網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好。系統(tǒng)現(xiàn)已完成可靠性試驗(yàn)，即將投入農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)中使用。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按功能分為三部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄及云端上傳、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與導(dǎo)出，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

① 數(shù)據(jù)采集。此部分包含溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器及時(shí)鐘模塊，是系統(tǒng)的參數(shù)感知層，Arduino讀取傳感器傳回的電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為環(huán)境參數(shù)。

② 數(shù)據(jù)記錄及實(shí)時(shí)上傳。此部分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)，是本系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)根據(jù)時(shí)鐘模塊提供的時(shí)鐘，每?jī)煞昼娚蟼饕淮螖?shù)據(jù)至樂(lè)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，每30 min系統(tǒng)存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)至Micro SD卡。

③ 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警。管理員可通過(guò)觀察監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的LCD或通過(guò)手機(jī)等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。樂(lè)聯(lián)網(wǎng)提供了參數(shù)超差提醒功能，用戶可以對(duì)特別關(guān)注的參數(shù)定義報(bào)警區(qū)間，一旦檢測(cè)到該參數(shù)超差，樂(lè)聯(lián)網(wǎng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送短信或微信消息通知用戶。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要元件及電路搭建

① Arduino UNO R3。

② ESP-01S WiFi模塊。

③ DHT22溫濕度傳感器。

④ GY-30 光照強(qiáng)度傳感器。

⑤ LCD5110。

⑥ DS3231 時(shí)鐘模塊。

⑦ Micro SD卡模塊。

⑧ AMS1117-3.3 V降壓模塊。

硬件電路連接圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及連接

2.2 Arduino UNO R3

本系統(tǒng)的控制器選用Arduino UNO R3。 Arduino是一種開(kāi)源硬件，用戶可從開(kāi)源網(wǎng)站上獲取豐富的第三方庫(kù)和示例程序，實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。Arduino UNO的微控制器核心是ATmega328，該處理器核心有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口，其中6個(gè)可作為PWM輸出，6個(gè)模擬輸入端口[4]。Arduino支持標(biāo)準(zhǔn)串口通信、SPI通信以及I2C通信，這使Arduino傳感器的選擇范圍大大增加。

2.3 ESP-01S

ESP-01S是一款低功耗UART-WiFi模組，用戶可通過(guò)AT指令將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。該模塊使用ESP8266微型MCU作為核心芯片，模塊集成有板載天線，支持IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，完整的 TCP/IP協(xié)議棧。Arduino通過(guò)串口與ESP-01S通信，波特率為115 200，能高效地將數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)。由于ESP-01S的工作電壓為3.3 V，本系統(tǒng)使用AMS1117-3.3 V將Arduino輸出的5 V電源降壓后為模塊供電。ESP-01S接入Arduino前，使用串口調(diào)試工具對(duì)其進(jìn)行工作模式配置：

① 將ESP-01S預(yù)設(shè)為SoftAP+Station模式，并將此配置保存到Flash。管理員如需變更WiFi名稱密碼，只需用手機(jī)接入ESP-01S發(fā)射的WiFi熱點(diǎn)進(jìn)行配置，無(wú)需再次編程燒錄，配網(wǎng)界面如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)配置界面

② 將ESP-01S與樂(lè)聯(lián)建立TCP透?jìng)?。透?jìng)骷赐该鱾魉?，整個(gè)傳輸過(guò)程中不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次加工，即不加密、不分組、不編碼等，信息原封不動(dòng)地到達(dá)數(shù)據(jù)接收端。ESP8266芯片提供了保存透?jìng)鞯紽lash指令，將透?jìng)髂Ｊ郊敖⒌腡CP連接保存在Flash區(qū)域，重新上電時(shí)自動(dòng)建立與樂(lè)聯(lián)網(wǎng)的TCP透?jìng)鬟B接。

2.4 LCD5110

本系統(tǒng)選用LCD5110作為參數(shù)實(shí)時(shí)顯示單元，其芯片核心為Philips PCD8544。PCD8544是低功耗CMOS LCD控制驅(qū)動(dòng)器，芯片上集成所有的顯示功能，通過(guò)SPI總線與Arduino通信，傳輸速度快。LCD5110內(nèi)置背光，擁有52×52像素分辨率，可顯示6行西文字符，單屏即可顯示所有信息[5-6]。該屏幕驅(qū)動(dòng)電壓位寬，耗電量低，價(jià)格低廉，適合作為本系統(tǒng)的顯示器。

2.5 DHT22溫濕度傳感器

DHT22溫濕度傳感器集成了一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電容式感濕元件，與8位單片機(jī)連接，該傳感器具有響應(yīng)速度快、性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器采集數(shù)據(jù)過(guò)程中調(diào)用內(nèi)部?jī)?chǔ)存的校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行校正，測(cè)量精度高。傳感器采用單總線輸出，與Arduino連接簡(jiǎn)單、傳輸距離遠(yuǎn)。

2.6 GY-30光照度傳感器

GY-30數(shù)字光強(qiáng)傳感器通過(guò)I2C總線接入Arduino。I2C總線是一種多主機(jī)總線，可以靈活拓展傳感器數(shù)量，如需增加傳感器，將從端設(shè)備時(shí)鐘線、數(shù)據(jù)線連接在一起，通過(guò)訪問(wèn)不同的地址即可讀取目標(biāo)傳感器[7]。GY-30擁有接近視覺(jué)的光譜靈敏度特性，測(cè)量范圍為1～65 535 lx，受紅外線影響小。GY-30提供了三種測(cè)量模式，分別為高分辨率模式1、高分辨率模式2和低分辨率模式。本系統(tǒng)采用高分辨率模式2，此模式下采集的數(shù)據(jù)可抑制部分噪聲，數(shù)據(jù)采集精度高。

2.7 Micro SD卡讀寫(xiě)模塊

該模塊與Arduino通信方式為SPI總線通信，MISO、MOSI、SCK為SPI總線。通過(guò)文件系統(tǒng)及SPI接口驅(qū)動(dòng)程序，Arduino即可完成對(duì)Micro SD卡的文件的讀寫(xiě)。該模塊內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換電路，接口電平支持5 V和3.3 V。 Arduino IDE提供了SD卡讀寫(xiě)庫(kù)，用戶可方便的在SD卡上創(chuàng)建、讀取、更新、刪除文件。本系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔為30 min，存儲(chǔ)格式為逗號(hào)分隔符格式(Comma-Separated Values, CSV)，用此格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可直接用EXCEL打開(kāi)。

2.8 DS3231時(shí)鐘單元

DS3231是高精度的I2C總線實(shí)時(shí)時(shí)鐘，工作溫度寬，內(nèi)部集成的溫補(bǔ)晶振和晶體使得DS3231的計(jì)時(shí)精度高達(dá)±2分鐘/年。此模塊內(nèi)置的電池可以使時(shí)鐘在斷電情況下仍保持運(yùn)行，是系統(tǒng)理想的時(shí)鐘單元。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序流程

系統(tǒng)上電后首先初始化各傳感器、時(shí)鐘、各總線及串口。同時(shí)ESP-01S自動(dòng)與樂(lè)聯(lián)平臺(tái)建立透?jìng)鬟B接，WiFi接入點(diǎn)信息及透?jìng)鹘⒚畲鎯?chǔ)于ESP-01S Flash中，無(wú)需Arduino再對(duì)其發(fā)送指令控制，節(jié)省了Arduino的內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，提高了程序循環(huán)效率。程序采用輪詢方式判斷是否需要上傳數(shù)據(jù)及記錄數(shù)據(jù)到Micro SD卡。程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

3.2 Arduino關(guān)鍵程序

本系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵子程序：

① 向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。我們定義一個(gè)函數(shù)PostData()完成數(shù)據(jù)推送。其中，全局變量temp、humi、light分別存儲(chǔ)當(dāng)前溫度、濕度及光照強(qiáng)度數(shù)值。在數(shù)據(jù)包透?jìng)鬟^(guò)程中，要使用大量字符串，但Arduino UNO只有2 KB主存儲(chǔ)器(SRAM)空間，字符串使用過(guò)多導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存不足，運(yùn)行不穩(wěn)定，本程序?qū)ψ址鎯?chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化，將字符串存儲(chǔ)于Flash中，程序執(zhí)行時(shí)自動(dòng)從Flash中調(diào)用字符串，大大節(jié)省了內(nèi)存空間[8]。源程序如下所示：

void PostData() {

Serial.print(F("{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"af5c50f620"}&^! "));

Serial.print(F("{"method":"upload","data":[{"Name":"TEMP","Value":""));

Serial.print(temp);

Serial.print(F(""},{"Name":"HUMI","Value":""));

Serial.print(humi);

Serial.print(F(""},{"Name":"LIGHT","Value":""));

Serial.print(light);

Serial.print(F(""}]}&^! "));

}

② 向Micro SD卡中存儲(chǔ)當(dāng)前各參數(shù)及時(shí)間。我們編寫(xiě)了函數(shù)dataLog()來(lái)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，每天新建一個(gè)文件存儲(chǔ)當(dāng)天數(shù)據(jù)，以日期作為文件名。程序首先改變標(biāo)志位recordFlag，避免了同一分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)記錄多次，隨后使用逗號(hào)分隔符格式向文件寫(xiě)入表頭，最后寫(xiě)入各項(xiàng)參數(shù)。源程序如下：

void dataLog() {

recordFlag = tm.minute();

pinMode(CS_PIN, OUTPUT);

StringlogFileName;

logFileName = String(tm.month()) + "-" + String(tm.day()) + ".csv";

SD.begin(CS_PIN);

//向新創(chuàng)建的文件寫(xiě)入表頭

if (SD.exists(logFileName) == 0 ) {

FiledataFile = SD.open(logFileName,FILE_WRITE);

dataFile.print("DATE");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Time");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Humidity");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Temperature");

dataFile.print(F(","));

dataFile.println("Illuminance");

dataFile.close();}

FiledataFile = SD.open(logFileName, FILE_WRITE);

dataFile.print(sDate);

dataFile.print(F(","));

sTime=String(tm.hour())+":"+String(tm.minute());

dataFile.print(sTime);

dataFile.print(F(","));

dataFile.print(humi);

dataFile.print(F(","));

dataFile.print(temp);

dataFile.print(F(","));

dataFile.println(light);

dataFile.close();

}

4 測(cè)試結(jié)果分析

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：經(jīng)測(cè)試，環(huán)境參數(shù)上傳穩(wěn)定，無(wú)丟包。使用電腦或微信訪問(wèn)樂(lè)聯(lián)網(wǎng)即可查看各參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史走勢(shì)、數(shù)據(jù)分布等，圖5給出樂(lè)聯(lián)平臺(tái)微信端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出:管理員可登陸樂(lè)聯(lián)平臺(tái)進(jìn)入下載歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面，選擇時(shí)間段導(dǎo)出數(shù)據(jù)，也可使用讀卡器讀取本地的Micro SD卡導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可直接在Excel中操作，管理員可利用Excel高效地對(duì)采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,如圖6所示。

圖6 導(dǎo)出數(shù)據(jù)并分析

數(shù)據(jù)采集精度：本系統(tǒng)測(cè)得的環(huán)境參數(shù)值與溫濕度計(jì)、光照度計(jì)測(cè)試結(jié)果非常近似，達(dá)到了預(yù)期要求，精度完全滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)需求。

結(jié) 語(yǔ)

參考文獻(xiàn)

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