王羽徵，劉 丹，于秋玉，畢 海，程 遠(yuǎn)

(1.大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116000;2.中控智慧股份有限公司，遼寧 大連 116000;3.近海(大連)生態(tài)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)開(kāi)始以物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模式取代人工的不定時(shí)檢查。然而，當(dāng)前的溫室檢測(cè)傳感器大多通過(guò)單獨(dú)鋪設(shè)數(shù)據(jù)線(xiàn)路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)施難度大，不利于初級(jí)農(nóng)戶(hù)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)；且大多數(shù)農(nóng)戶(hù)經(jīng)營(yíng)溫室數(shù)量龐大，使用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)的方式會(huì)造成數(shù)據(jù)匯總難度大，不利于系統(tǒng)管理[1-3]，當(dāng)前溫室監(jiān)控架構(gòu)如圖1所示。因此本設(shè)計(jì)采用數(shù)字化數(shù)據(jù)采集以及終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)化傳感器的供電方式，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套以ESP8285為主控芯片的無(wú)線(xiàn)多參數(shù)數(shù)據(jù)采集的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器。該系統(tǒng)具有多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集功能，并結(jié)合移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)智能控制，使傳統(tǒng)農(nóng)戶(hù)以最低成本實(shí)現(xiàn)多溫室環(huán)境的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和統(tǒng)一控制，有效確保農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量以及培育工作的順利進(jìn)行。

圖1 當(dāng)前溫室環(huán)境監(jiān)控架構(gòu)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

為了實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括了三個(gè)部分：環(huán)境信息采集板、溫室環(huán)境控制器及人機(jī)交互終端，如圖2所示。環(huán)境信息采集板是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，其工作原理如圖3所示。該采集板可提供監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度以及光照度等環(huán)境信息。系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)置的傳感芯片通過(guò)IIC總線(xiàn)將收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8285主控芯片進(jìn)行處理，處理后以UDP報(bào)文的方式通過(guò)WiFi發(fā)送給人機(jī)交互模塊以及上位機(jī)監(jiān)控中心平臺(tái)[4-5]。上位機(jī)監(jiān)控中心可將所有相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸給任何需要查看的終端上，最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模溫室群進(jìn)行集中的環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。此外，管理人員也可使用上位機(jī)及移動(dòng)終端向控制模塊發(fā)送指令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3 環(huán)境信息采集板原理結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板設(shè)計(jì)

目前溫室內(nèi)使用的環(huán)境信息采集裝置大多為單參數(shù)傳感器且傳感器尺寸較大，為了更加方便地采集環(huán)境信息，本文設(shè)計(jì)了一款多參數(shù)集成的環(huán)境信息采集板，整體電路由三個(gè)模塊組成：電源模塊、控制及WiFi模塊、傳感器模塊，各模塊連接方式如圖4所示。

圖4 模塊連接方式

2.1 傳感器模塊

溫室需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息主要包括：溫濕度、光照度、土壤水分、pH值等。本設(shè)計(jì)通過(guò)兩顆傳感器芯片實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度與光照三個(gè)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)。溫濕度傳感器使用HTU21D芯片，光照度傳感器使用BH1750FVI芯片。HTU21D溫濕度傳感器性能參數(shù)優(yōu)秀，具有質(zhì)量好、體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[6]。BH1750FVI是一種用于IIC兩線(xiàn)式半雙工通信總線(xiàn)的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化[7]。傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 傳感器模塊電路圖

2.2 控制及WiFi模塊

目前農(nóng)業(yè)溫室用傳感器上使用的MCU一般為STM32芯片與AT89C51芯片。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸，本設(shè)計(jì)選擇了成本相對(duì)較低且具有無(wú)線(xiàn)傳輸功能的ESP8285芯片作為主控芯片。ESP8285是一款WiFi控制芯片，但WiFi協(xié)議棧只占用了其20%的MIPS，且提供了兩個(gè)IIC數(shù)據(jù)總線(xiàn)接口可與傳感器進(jìn)行通信?？刂萍癢iFi模塊的電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 控制及WiFi模塊電路圖

2.3 電源模塊

為了方便添加其他設(shè)備，本系統(tǒng)采用24 V的外接電源供電，數(shù)據(jù)采集板的使用電壓為3.3 V。在數(shù)據(jù)采集板的PCB板上集成了24 V降3.3 V電源模塊，使用MP1584芯片作為降壓芯片，使PCB板可以在24 V的電源下穩(wěn)定工作，并可以按需增加攝像頭等其他配件。電源模塊的電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 電源模塊電路圖

2.4 硬件成品設(shè)計(jì)

為了方便農(nóng)業(yè)溫室內(nèi)的布設(shè)與后期維護(hù)，將無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板設(shè)計(jì)為圓形，并使用E27接口的燈泡外殼作為采集板的外殼，這樣可以只在溫室內(nèi)壁放置E27接口燈座，并且布設(shè)5 V電纜，就可以方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)。同時(shí)燈泡外殼的柔光罩也可以將外界光線(xiàn)柔化，避免了光照傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)確的情況。如果出現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)故障，無(wú)法正常工作的問(wèn)題，可以直接將損壞節(jié)點(diǎn)更換為新節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板的安裝成品如圖8所示。

圖8 無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板成品

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

區(qū)別于市面上的傳統(tǒng)成品傳感器，本設(shè)計(jì)在采用全新硬件的同時(shí)，使用C語(yǔ)言為硬件編寫(xiě)了一套從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)整理再到數(shù)據(jù)發(fā)送的完整軟件。軟件設(shè)計(jì)包括3個(gè)部分：WiFi的連接、傳感器芯片數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)的整合與發(fā)送。環(huán)境信息的采集與發(fā)送流程如圖9(a)所示。首先將每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)場(chǎng)布置好的WiFi基站，連接成功后依次從溫濕度傳感器與光照傳感器芯片通過(guò)IIC總線(xiàn)獲得溫濕度數(shù)據(jù)和光照度數(shù)據(jù)，本采集板中ESP8285作為IIC通信主機(jī)，HTU21D與BH1750作為IIC通信從機(jī)，主機(jī)發(fā)送從機(jī)地址加寫(xiě)命令，從機(jī)收到后與自身的地址對(duì)比，確認(rèn)匹配后，向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答指令。主機(jī)繼續(xù)向從機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)從機(jī)的檢測(cè)代碼加寫(xiě)命令，并等待從機(jī)的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)，主機(jī)發(fā)送從機(jī)地址并加讀命令，從機(jī)接收到指令后向主機(jī)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。獲得兩傳感器芯片的測(cè)量值后按照芯片手冊(cè)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)將返回值轉(zhuǎn)換為真實(shí)值，經(jīng)過(guò)合并處理后通過(guò)UDP報(bào)文發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或移動(dòng)終端。通過(guò)這一軟件流程，可以實(shí)現(xiàn)高效率的環(huán)境信息實(shí)時(shí)獲取功能。溫濕度與光照度數(shù)據(jù)獲得流程如圖9(b)所示。

圖9 程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

在按照電路圖焊接好無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板后，使用Eclipse軟件將工程文件通過(guò)串口燒錄至控制芯片內(nèi)。完成后同時(shí)按住S1、S2兩個(gè)按鈕并通電進(jìn)入SmartConfig模式(ESP8285內(nèi)置的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程配置功能)，使用手機(jī)端APP進(jìn)行無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板的無(wú)線(xiàn)設(shè)置，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置如圖10(a)所示。配置成功后板載LED燈LNK進(jìn)入常亮狀態(tài)，此時(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板開(kāi)始進(jìn)入環(huán)境信息讀取與無(wú)線(xiàn)發(fā)送狀態(tài)。使用手機(jī)端的Blynk軟件來(lái)接收無(wú)線(xiàn)環(huán)境信息采集板發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收界面如圖10(b)所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)階段調(diào)試界面

4.2 實(shí)地測(cè)試

本設(shè)計(jì)完成初步調(diào)試后，在遼寧省大連市綠鑫櫻桃種植基地進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，挑選典型溫室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在溫室里搭設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。與實(shí)驗(yàn)室調(diào)試相同，進(jìn)入SmartConfig模式后使用手機(jī)APP遠(yuǎn)程配置，連接在現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)好的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基站。然后使用Blynk軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試監(jiān)控界面

5 結(jié)論

目前物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用廣泛,但溫室內(nèi)由于環(huán)境復(fù)雜，通信線(xiàn)路架設(shè)困難，且在大規(guī)模溫室群中，將會(huì)有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用ESP8285無(wú)線(xiàn)控制芯片實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，同時(shí)使用HTU21D和BH1750FVI進(jìn)行溫室內(nèi)溫度、濕度及光照度的信息采集，采集到的環(huán)境信息通過(guò)IIC總線(xiàn)傳輸給ESP8285無(wú)線(xiàn)控制芯片，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)WiFi遠(yuǎn)程發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，在一定程度上提高了多節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息實(shí)時(shí)通信的可靠性，解決了目前溫室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸布線(xiàn)困難以及多溫室節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。