張曉培，梁文海

(欽州學(xué)院 廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 欽州 535011)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，溫室環(huán)境監(jiān)控是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[1]。目前，雖然有許多關(guān)于溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究，但是大多數(shù)研究都是圍繞著控制器、數(shù)據(jù)傳輸方式和監(jiān)控軟件[2-4]進(jìn)行的，并采用PC機(jī)作為上位機(jī)，這就要求PC終端安裝在一個(gè)固定的位置。固定的終端顯示就會(huì)導(dǎo)致在時(shí)間和空間上產(chǎn)生局限性。隨著人們生活水平的不斷提高，移動(dòng)手機(jī)的普及為溫室監(jiān)控系統(tǒng)提供了新的技術(shù)方案。本文采用Android 移動(dòng)手機(jī)作為溫室環(huán)境監(jiān)控客戶端，由單片機(jī)控制器和WiFi無線傳輸模塊共同組成監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)端的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成，下位機(jī)又由數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊組成，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要功能：利用溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)地對(duì)溫室內(nèi)的空氣濕度、空氣溫度、光照強(qiáng)度和土壤濕度等信息進(jìn)行采集，然后經(jīng)單片機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并通過WIFI無線傳輸模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)客戶端，通過移動(dòng)手機(jī)監(jiān)控界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示；當(dāng)測量值出現(xiàn)異常時(shí)，可以在手機(jī)監(jiān)控界面上出現(xiàn)提示，同時(shí)控制器控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示，便于農(nóng)戶進(jìn)行及時(shí)處理。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源轉(zhuǎn)換電路

由于STC89C52單片機(jī)和各種傳感器需要5V的供電電源，而WiFi模塊則需要3.3V的電源，因此需要將5V電源降到3.3V。本文采用降壓電源模塊，電路設(shè)計(jì)時(shí)選擇LM2596S降壓芯片，其降壓電路如圖2所示。圖2中，IN和OUT分別為輸入電壓5V和輸出電壓3.3V。

圖2 降壓電路圖

2.2 傳感器模塊

需要根據(jù)溫室環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度這4個(gè)環(huán)境參數(shù)選擇合適的傳感器。本文針對(duì)空氣溫度和濕度選擇了DHT11溫濕度傳感器，其測量量程分別為0～50℃、0%～100%，測量誤差分別為±2℃、±5%；對(duì)光照強(qiáng)度的測量選擇的是BH1750FVI傳感器，其光照強(qiáng)度范圍為0～65 535lx；土壤濕度傳感器采用的是HR202土壤濕度傳感器，為了提高傳感器的導(dǎo)電性能，同時(shí)防止接觸土壤容易生銹的問題，在檢測部分的表面進(jìn)行了鍍鎳處理。

2.3 數(shù)據(jù)處理電路

數(shù)據(jù)的處理控制器選用的是STC89C52單片機(jī)，具有功耗低、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)。采用51內(nèi)核卻擁有傳統(tǒng)51單片機(jī)所不具備的功能[5]。各種傳感器通過單片機(jī)的控制，把當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后把采集到的數(shù)據(jù)輸入到控制器中，控制器根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理把它轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的空氣溫度值和空氣濕度值、光照強(qiáng)度值和土壤濕度值?？刂破鞑杉娐啡鐖D3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理電路

2.4 報(bào)警電路

本文在控制器中設(shè)置了溫度、濕度和光照強(qiáng)度的上下限報(bào)警值，當(dāng)系統(tǒng)檢測的環(huán)境參數(shù)大于或者小于控制器給定的上下限報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，便于農(nóng)戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行及時(shí)的處理。報(bào)警電路的設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 報(bào)警電路

2.5 無線模塊的電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)今常用的無線傳輸技術(shù)有GSM通訊技術(shù)、ZigBee技術(shù)和WiFi無線傳輸技術(shù)等[6]。由于WiFi在農(nóng)業(yè)溫室區(qū)的覆蓋，可使移動(dòng)終端方便的接入監(jiān)控系統(tǒng)[7]，所以本設(shè)計(jì)選用的無線傳輸模塊為WIFI模塊。WiFi模塊采用的是esp8266的射頻芯片，其工作電壓3.0～3.6V，本設(shè)計(jì)采用3.3V。它與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊是通過串口實(shí)現(xiàn)的，無線WiFi模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收引腳分別接單片機(jī)的RXD和TXD。模塊與單片機(jī)可以作為服務(wù)器或者客戶端，只需給予模塊設(shè)置相應(yīng)的AT指令即可。本設(shè)計(jì)中使用的是服務(wù)器模式，其與單片機(jī)的連接如圖5所示。該模塊留有天線接口，為了提高傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，該電路外接了一根天線。

圖5 WiFi與單片機(jī)的接口圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的采集和處理由下位機(jī)完成的，下位機(jī)把采集到的環(huán)境參數(shù)通過無線傳輸方式發(fā)送給移動(dòng)客戶端，軟件流程圖如圖6所示。

3.2 上位機(jī)工作流程圖

上位機(jī)在溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中起到了數(shù)據(jù)接收和顯示的作用，其軟件流程圖如7所示。

3.3 WIFI通信軟件設(shè)計(jì)

無線WiFi模塊工作模式有STA和AP模式[8]。STA模式即無線站點(diǎn)，類似于無線終端，STA可以連接到AP，但是本身不允許無線接入，如移動(dòng)手機(jī)、平板電腦等。AP模式即無線接入點(diǎn)，給予無線接入服務(wù)，允許其他無線終端接入，如路由器(AP)， AP與AP還可以相互連接。本系統(tǒng)WiFi模塊工作在AP模式下，單片機(jī)和WiFi模塊共同組成了服務(wù)器。首先對(duì)esp8266無線WiFi模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，根據(jù)無線模塊的通訊協(xié)議，從單片機(jī)的串口給WiFi模塊發(fā)送AT指令，完成初始化設(shè)置，如AP模式的設(shè)置等。

圖6 下位機(jī)軟件流程圖

圖7 上位機(jī)軟件流程圖

3.4 移動(dòng)手機(jī)客戶端APP軟件的開發(fā)

溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件是由JAVA語言開發(fā)的Android應(yīng)用程序，是運(yùn)行在Android移動(dòng)手機(jī)上的應(yīng)用程序。此次設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境使用的是谷歌公司推出的Android開發(fā)平臺(tái)Android Studio。

開發(fā)本系統(tǒng)的應(yīng)用程序，需要先對(duì)界面進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)界面所需要的功能進(jìn)行代碼編寫。根據(jù)移動(dòng)端溫室環(huán)境監(jiān)控的需求，論文設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控軟件的兩個(gè)界面，如圖8和圖9所示。

圖8 WIFI連接界面

圖9 環(huán)境數(shù)據(jù)顯示界面

圖8中的界面布局了IP地址輸入編輯框、端口號(hào)輸入編輯框、啟動(dòng)連接按鈕和進(jìn)入監(jiān)控頁面按鈕。由于上位機(jī)是作為客戶端使用， IP地址和端口號(hào)是必不可少的。為了方便農(nóng)戶，WIFI連接界面初始化時(shí)，默認(rèn)填寫服務(wù)器的IP地址192.168.4.1和端口號(hào)8888；當(dāng)手機(jī)正確連接服務(wù)器后，點(diǎn)擊啟動(dòng)連接按鈕，按鈕上的文字顯示為斷開，且在按鈕下方出現(xiàn)短暫的文字提示“已成功連接！”；點(diǎn)擊斷開按鈕，按鈕上的文字顯示為啟動(dòng)連接，并且在按鈕下方出現(xiàn)短暫的文字提示“已斷開連接”；當(dāng)點(diǎn)擊“進(jìn)入監(jiān)控頁面”按鈕，進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示界面。

圖9的界面為監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的顯示界面，包含當(dāng)前溫度、當(dāng)前濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度的顯示，同時(shí)還布局了溫度、濕度和光照強(qiáng)度報(bào)警值的編輯框，輸入內(nèi)容有提示限制。在這個(gè)界面中布局了一個(gè)“開始監(jiān)控”按鈕，當(dāng)上位機(jī)正常連接服務(wù)器點(diǎn)擊該按鈕后，按鈕上的文字從原來的“開始監(jiān)控”變成“監(jiān)控中...”，文字顏色由黑色變藍(lán)色作為重要提示，接收到的數(shù)據(jù)顯示在指定的顯示標(biāo)簽內(nèi)；再次點(diǎn)擊該按鈕，按鈕上的文字由“監(jiān)控中...”變成“開始監(jiān)控”，顯示數(shù)據(jù)消失；如果未能正常連接服務(wù)器，該按鈕無響應(yīng)，數(shù)據(jù)不顯示。

4 基于移動(dòng)端的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)測試

針對(duì)系統(tǒng)的研究目標(biāo)，本文通過硬件物理平臺(tái)的搭建和軟件系統(tǒng)的編程，構(gòu)建了一個(gè)基于移動(dòng)端的溫室監(jiān)控系統(tǒng)。完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要先對(duì)軟硬件進(jìn)行分步驟的安裝和測試，確認(rèn)每步測試成功后才進(jìn)行了系統(tǒng)的集成組裝調(diào)試和模擬試驗(yàn)。

開啟下位機(jī)，等待幾秒鐘后，開啟上位機(jī)“啟動(dòng)連接按鈕，系統(tǒng)連接成功，運(yùn)行界面如圖10所示。如果不能正確連接服務(wù)器，就開啟“啟動(dòng)連接”按鈕，界面不會(huì)提示“已成功連接！”。

圖10 連接界面運(yùn)行圖

系統(tǒng)的正常啟動(dòng)順序?yàn)椋合冗B接成功后，進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)界面，設(shè)置溫度、濕度和光照強(qiáng)度的報(bào)警值后，點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”按鈕。如果沒有設(shè)置溫度、濕度或者光照強(qiáng)度值時(shí)，點(diǎn)擊“開始監(jiān)控”，按鈕文字不會(huì)發(fā)生變化；若設(shè)置值不全或者不合法，都會(huì)在界面上提示用戶。在接收到的環(huán)境參數(shù)沒有超出設(shè)定值的情況下，看到的顯示界面如圖11所示。

圖11 檢測參數(shù)正常顯示界面

如果采集到的環(huán)境參數(shù)超過或者小于農(nóng)戶給定的參數(shù)報(bào)警值時(shí)，上位機(jī)界面出現(xiàn)就會(huì)報(bào)警提示。若接收到的溫度值大于給定的溫度上限報(bào)警值，提示溫度過高；若接收到的濕度值小于給定的濕度報(bào)警下限值，提示濕度過低；若接收到的光照強(qiáng)度值小于給定光照強(qiáng)度下限報(bào)警值，提示光照過低。檢測環(huán)境參數(shù)異常的顯示界面如圖12所示。

圖12 檢測參數(shù)異常顯示界面

5 結(jié)論

為了有效地監(jiān)控溫室環(huán)境參數(shù)，提出了使用傳輸速度快、傳輸信號(hào)穩(wěn)定的無線WIFI通訊技術(shù)與移動(dòng)客戶端傳輸數(shù)據(jù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用各種傳感器和單片機(jī)完成溫室現(xiàn)場環(huán)境的參數(shù)采集，并將數(shù)據(jù)打包通過無線WIFI模塊構(gòu)成的服務(wù)器傳輸給移動(dòng)客戶端，最終將監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示在開發(fā)的Android系統(tǒng)APP上。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，通過對(duì)環(huán)境監(jiān)控 APP 的測試，完成了在線環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取、監(jiān)控等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作簡單、軟硬件運(yùn)行穩(wěn)定，基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠較好地監(jiān)測溫室環(huán)境中的多元信息，為溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊建玲,田國強(qiáng),蘇行.基于嵌入式技術(shù)的無線智能溫室測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,26(4)：1-3.

[2] 李星恕,楊中平,郭康權(quán),等.CAN 控制器溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2002(4):97-100.

[3] 馬海龍,張長利,鄭博元,等.基于ZigBee技術(shù)的日光溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī),2015(12):34-36.

[4] 王以忠，王盼，彭一準(zhǔn),等.基于LabVIEW 的溫室大棚智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015,54(13):3269-3272.

[5] 趙國利.基于單片機(jī)的停車場管理系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)[J].河南機(jī)電高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),2014(4):14-17.

[6] 吳成東.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2011.

[7] 劉紅義,趙方,李朝暉,等.一種基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2010,47(S2):361-365.

[8] 楊飛,謝濤,伍其,等.基于WiFi的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2017,25(2):50-53.