吳 文，鄒騰躍

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

0 引言

云平臺又叫云計(jì)算平臺，它是向用戶提供基礎(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)、中間件和數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺[1]。云平臺按照不同的服務(wù)類型可以分為存儲型、計(jì)算型及綜合型3類平臺[2]。我國現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨向智能化發(fā)展，傳統(tǒng)溫室番茄的種植存在許多不利的因素，難以滿足消費(fèi)者對番茄產(chǎn)量及品質(zhì)的需求。隨著云平臺技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對溫室番茄進(jìn)行遠(yuǎn)程管理可以提高種植效率，是我國精細(xì)農(nóng)業(yè)政策的具體體現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于機(jī)智云平臺的溫室番茄遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，上位機(jī)包括手機(jī)APP終端和機(jī)智云平臺，用戶可以通過手機(jī)APP終端查看由下位機(jī)上傳的溫室番茄環(huán)境參數(shù)，還可以發(fā)送操作指令通過Wi-Fi無線通訊模塊傳輸給下位機(jī)，遠(yuǎn)程控制LED光源亮度和排氣扇運(yùn)行狀態(tài)。下位機(jī)是由環(huán)境參數(shù)傳感器(溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2傳感器)、控制器STM32F103、LED光源和排氣扇控制模塊等組成?？刂破鹘邮諟貪穸葌鞲衅?、光照強(qiáng)度傳感器和CO2傳感器所采集的溫室番茄環(huán)境參數(shù)，通過Wi-Fi無線通訊模塊上傳至機(jī)智云平臺及手機(jī)APP終端，并且下位機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)可執(zhí)行由手機(jī)APP終端和機(jī)智云平臺下傳的操作指令。

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能為通過手機(jī)APP終端和云平臺可實(shí)時(shí)查看溫室中番茄生長的環(huán)境參數(shù)，并且通過Wi-Fi技術(shù)和云平臺實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP終端遠(yuǎn)程管理調(diào)控溫室番茄環(huán)境參數(shù)。對于溫室番茄，溫度對其生長的影響要高于相對濕度和光照強(qiáng)度的影響[3]。

根據(jù)溫室番茄的生長特性對環(huán)境傳感器的參數(shù)做出以下要求：溫度傳感器測量范圍0～50 ℃，精度±2 ℃；濕度傳感器測量范圍20%～95%RH，精度±5%RH；光照強(qiáng)度傳感器的測量范圍0～65 535 lx，精度±2 lx；CO2傳感器測量范圍0.04%～6.00%，精度為±0.000 2%。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于機(jī)智云平臺的溫室番茄遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由STM32F103ZET6單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器、SGP30氣體傳感器、ESP8266-01S Wi-Fi模塊、LED光源及排氣扇控制模塊等組成。

2.1 環(huán)境參數(shù)傳感器

DHT11溫濕度傳感器是集溫度、濕度測量于一體的傳感器，采用單總線的方式與單片機(jī)相連接[4]。單總線通信提高了單片機(jī)IO口的利用率，DHT11溫濕度傳感器模塊的DAT引腳與STM32F103單片機(jī)的PA11引腳相連接。

GY-30光照傳感器以BH1750FVI芯片為核心，內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器[5]。GY-30光照傳感器模塊將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換生成的數(shù)字量采用IIC通信的方式傳輸?shù)絊TM32F103單片機(jī)，IIC通信線分別與STM32F103單片機(jī)的PB3和PA15連接。SGP30氣體傳感器內(nèi)置4個(gè)氣體傳感元件可檢測甲醛、CO2等氣體[6]。本次設(shè)計(jì)主要檢測溫室番茄的環(huán)境生長參數(shù)，故只需檢測溫室中CO2含量即可，SGP30氣體傳感器模塊通過PB0和PB1與STM32F103單片機(jī)相連接采用IIC通信的方式。環(huán)境參數(shù)傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)傳感器參數(shù)

2.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi無線通訊模塊采用樂鑫公司的ESP8266-01S Wi-Fi模塊[7]。ESP8266-01S Wi-Fi模塊內(nèi)置芯片為ESP8266EX，ESP8266EX采用32位的處理器，內(nèi)部集成了許多模塊如Wi-Fi天線、濾波模塊及功耗管理模塊等，同時(shí)還提供豐富的通訊接口如SPI/SDIO、UART以方便與MCU通訊。ESP8266EX引腳如圖2所示。由于ESP8266EX芯片具有強(qiáng)大的功能屬性，它既可以作為獨(dú)立的Wi-Fi開發(fā)對象供開發(fā)者開發(fā)，又可以燒寫固件作為從機(jī)采用串口通訊與MCU連接。本次設(shè)計(jì)將ESP8266-01S Wi-Fi模塊作為從機(jī)，確保能夠與機(jī)智云平臺通訊必須燒寫由機(jī)智云官方提供的Wi-Fi固件。采用串口通信的方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，ESP8266-01S Wi-Fi模塊的RXD引腳連接單片機(jī)的PB10引腳，TXD引腳連接單片機(jī)的PB11引腳。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

基于機(jī)智云平臺的溫室番茄遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主程序流程如圖3所示。首先單片機(jī)系統(tǒng)、各個(gè)環(huán)境傳感器模塊及ESP8266-01S Wi-Fi模塊初始化。通過按鍵掃描將手機(jī)APP終端與Wi-Fi模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，單片機(jī)判斷Wi-Fi模塊是否進(jìn)入Air-Link模式。若進(jìn)入Air-Link模式，各個(gè)環(huán)境傳感器模塊所采集的溫室數(shù)據(jù)通過ESP8266-01S Wi-Fi模塊上傳至機(jī)智云平臺和手機(jī)APP終端，用戶則可以通過機(jī)智云平臺和手機(jī)APP終端直接查看溫室番茄的環(huán)境參數(shù)。

3.2 機(jī)智云平臺設(shè)計(jì)

機(jī)智云是致力于為開發(fā)者提供智能硬件開發(fā)及云服務(wù)的平臺[8]。它為消費(fèi)者提供了詳細(xì)的開發(fā)流程、豐富的開源代碼及便利的測試工具，可提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，深受開發(fā)者歡迎。首先，根據(jù)系統(tǒng)不同的功能需求在機(jī)智云平臺創(chuàng)建所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，如表2所示。其次，可使用機(jī)智云平臺提供的虛擬設(shè)備調(diào)試工具，模擬數(shù)據(jù)上報(bào)驗(yàn)證已創(chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)的可實(shí)施性，測試無誤后在MCU開發(fā)選項(xiàng)中根據(jù)不同MCU的型號下載所對應(yīng)的下位機(jī)代碼。本文所使用的下位機(jī)端代碼是適用于STM32系列的單片機(jī)。

表2 機(jī)智云平臺數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)

3.3 Wi-Fi模塊軟件設(shè)計(jì)

GAgent固件是機(jī)智云專為ESP8266 Wi-Fi模塊開發(fā)的一款Wi-Fi固件[9]。將它燒錄到Wi-Fi模塊可實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用如機(jī)智云平臺、手機(jī)APP終端與產(chǎn)品設(shè)備之間的相互通信。使用ESP8266專用燒寫軟件向Wi-Fi模塊燒錄GAgent固件后，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi模塊與手機(jī)APP終端配置入網(wǎng)。

Wi-Fi模塊作為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)相互通信，主要分為兩個(gè)部分。

(1)下位機(jī)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，STM32單片機(jī)將各個(gè)傳感器模塊采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過USART3存儲在結(jié)構(gòu)體函數(shù)currentDataPoint中，調(diào)用userHandle函數(shù)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

(2)上位機(jī)指令下傳至下位機(jī)，手機(jī)APP終端和云平臺將修改LEDPWM值和排氣扇狀態(tài)的指令通過Wi-Fi模塊發(fā)送至STM32單片機(jī)，在EventProcess函數(shù)中觸發(fā)所對應(yīng)的事件(控制LED光源亮度、控制排氣扇狀態(tài))。

4 系統(tǒng)測試

使用機(jī)智云APP在機(jī)智云平臺掃描二維碼綁定虛擬設(shè)備獲取相應(yīng)的工程項(xiàng)目，保證手機(jī)和Wi-Fi模塊連接在同一無線網(wǎng)絡(luò)下，點(diǎn)擊“一鍵配置”進(jìn)行Wi-Fi模塊的配置入網(wǎng)。根據(jù)Wi-Fi模塊不同生產(chǎn)廠商進(jìn)行選擇，本文所使用的Wi-Fi模塊型號為樂鑫公司的ESP8266-01S。確保手機(jī)APP與Wi-Fi模塊配網(wǎng)成功后即可在“我的設(shè)備”查看已開發(fā)的個(gè)人項(xiàng)目，進(jìn)入溫室番茄環(huán)境監(jiān)控界面即可查看由下位機(jī)所采集的溫室番茄環(huán)境參數(shù)，點(diǎn)擊風(fēng)扇按鈕和LEDPWM值可控制下位機(jī)調(diào)整排氣扇狀態(tài)及LED光源亮度，手機(jī)APP終端控制界面如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文使用Wi-Fi和云平臺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了溫室番茄環(huán)境生長參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可使用手機(jī)APP終端和機(jī)智云平臺實(shí)時(shí)獲取番茄環(huán)境生長參數(shù)并發(fā)出控制指令改變LED光源亮度及排氣扇狀態(tài)，STM32F103單片機(jī)作為下位機(jī)的控制核心，負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的上傳和執(zhí)行上位機(jī)命令。經(jīng)測試，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫室番茄環(huán)境生長參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大程度提高了溫室番茄的種植效率。