李國利，周創(chuàng)，牟福元

(金陵科技學(xué)院機電工程學(xué)院，南京市，211169)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生活水平提高，溫室大棚化種植得到迅速地推廣和應(yīng)用。溫室大棚環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大影響。大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的人工經(jīng)驗性監(jiān)測方式存在時效性低、工作量大、生產(chǎn)成本高、隨機取點誤差大等問題；有線傳輸方式有很多的不足之處，如功耗較高、布線成本大、適應(yīng)性差、可擴展性不強，且增加新的種植面積需要再次布線施工[1]。揚以，溫室大棚無線智能監(jiān)控作為設(shè)施農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高生產(chǎn)效率、保障農(nóng)作物品質(zhì)的重要措施[2-3]。

隨著移動通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控技術(shù)逐漸發(fā)展起來[4-9]。借助傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的實時檢測與控制已成為熱門研究課題。程力[10]、龔尚福[11]等采用ZigBee技術(shù)組建無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了溫室大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控。吳寶忠等[12]將無線WiFi模塊采集的溫室現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)傳輸給移動客戶端，通過手機APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

ESP32芯片將天線開關(guān)、RF balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器、電源管理模塊等功能集于一體，只需極少外圍器件，即可實現(xiàn)強大的處理性能、可靠的安全性能和WiFi、藍牙功能。ESP32在無線遠程監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[13-16]。本文以ESP32控制模塊和Android智能手機為硬件平臺，設(shè)計開發(fā)了溫室大棚遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并依托Blinker平臺開發(fā)了手機監(jiān)控終端APP。借助該系統(tǒng)工作人員可通過手機隨時隨地監(jiān)控大棚環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息采集模塊、門禁刷卡模塊、ESP32控制模塊、OLED顯示模塊、輸出控制模塊、監(jiān)控手機模塊。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1揚示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖Fig.1 Hardware structure block diagram of monitoring system

ESP32控制模塊通過各傳感器采集環(huán)境參數(shù)并通過OLED顯示模塊顯示，當某參數(shù)超出設(shè)定的閾值范圍，系統(tǒng)驅(qū)動相關(guān)調(diào)節(jié)設(shè)備工作。工作人員通過刷射頻卡進出溫室大棚。ESP32控制模塊通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控手機進行信息交互，監(jiān)控人員通過手機APP可查看溫室大棚信息當前值及歷史記錄，也可通過APP發(fā)送控制信號給ESP32控制模塊，實現(xiàn)排風扇、噴淋器、空氣凈化器、空調(diào)、照明等設(shè)備的遠程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ESP32控制模塊

ESP32控制模塊選用NodeMCU-32S WiFi物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，該開發(fā)板主控為ESPRESSIF ESP32 WiFi+BT雙模雙核芯片，主頻高達240 MHz，支持UART/SPI/PWM/SDIO/ADC/DAC等多種接口，WiFi頻率范圍為2 400～2 483.5 MHz。

開發(fā)板引出大部分I/O口至兩側(cè)的排針，方便連接環(huán)境參數(shù)采集模塊、輸出模塊。系統(tǒng)硬件電路如圖2揚示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 Circuit schematic diagram of monitoring system

2.2 環(huán)境參數(shù)采集模塊

環(huán)境溫濕度采集電路選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感模塊，該模塊內(nèi)部含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與單片機相連接，抗干擾能力強、響應(yīng)快。系統(tǒng)采用光敏電阻檢測光照強度。CO2濃度檢測傳感器選擇MG-812模塊，該模塊采用固體電解質(zhì)電池原理來檢測CO2濃度。當傳感器置于含CO2的氣體中時，電池正負極發(fā)生電極反應(yīng)，傳感器敏感電極和參考電極之間產(chǎn)生電動勢，CO2濃度發(fā)生變化時輸出信號電壓也相應(yīng)發(fā)生變化。PM2.5濃度采集電路選用GP2Y1014AU0F模塊，該模塊中心孔洞可使空氣流通，內(nèi)部紅外發(fā)光二極管IRED和光電晶體管對角布置，IRED定向發(fā)射LED光，光電晶體管通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射后的光線來判斷灰塵的含量。GP2Y1014AU0F模塊工作時，VO引腳輸出與灰塵含量相關(guān)的脈沖電壓。

2.3 輸出模塊

顯示模塊選用OLED顯示屏。OLED與LCD顯示屏相比，具有對比度高、輕薄、視角廣、反應(yīng)速度快等優(yōu)點。本設(shè)計采用4針OLED顯示屏模塊，屏幕內(nèi)部驅(qū)動芯片為SSD1306，分辨率為128像素×64像素。模 塊 采 用I2C接口 方 式，SCL為OLED的D0引 腳，在I2C通 信 中 為時鐘引 腳，SDA為OLED的D1引腳，在I2C通信中為數(shù)據(jù)引腳。系統(tǒng)采用蜂鳴器報警，蜂鳴器用三極管驅(qū)動。輸出設(shè)備排風扇、噴淋器、空氣凈化器、照明等采用繼電器驅(qū)動。

2.4 門禁控制模塊

本設(shè)計采用RFID-RC522射頻識別模塊控制門禁開關(guān)。該模塊采用MF RC522作為讀卡芯片，它集成了在13.56 MHz下?lián)P有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，支持ISO14443A的多層應(yīng)用，具有I2C、SPI和UART通信接口，采用SPI總線接口時其數(shù)據(jù)傳輸速率最高達10 Mbit/s。工作時，MF RC522芯片將數(shù)據(jù)調(diào)制后通過天線以射頻信號形式發(fā)送出去，ISO 14443A/MIFARE卡對射頻場的調(diào)制進行響應(yīng)，天線接收響應(yīng)信號并通過匹配電路送至芯片，芯片對信號進行檢測、解調(diào)及處理，控制模塊通過數(shù)據(jù)接口讀取處理后的數(shù)據(jù)[17]。本設(shè)計選擇采用SPI通信模式，控制模塊為主機，RFID-RC522模塊為從機，控制模塊主動發(fā)起通信并向SCK引腳發(fā)送統(tǒng)一時鐘信號，分別通過MOSI引腳、MISO引 腳發(fā)送、接收數(shù) 據(jù)，RST為模塊復(fù)位信號引腳，SDA為模塊片選引腳。系統(tǒng)選用電磁式門鎖，采用繼電器驅(qū)動。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ESP32主控軟件設(shè)計

ESP32控制器常用開發(fā)平臺主要包括Arduino開源電子平臺和ESP32-IDF平臺。本次系統(tǒng)程序設(shè)計沒有使用傳統(tǒng)的Arduino IDE開發(fā)工具，而是通過微軟旗下的VSCode文本編輯器+PlatformIO插件接入Arduino平臺，進行軟件開發(fā)環(huán)境搭建，程序采用C++語言編寫。

ESP32控制器軟件流程如圖3揚示。溫室大棚溫濕度信息通過單總線傳感器采集。PM2.5濃度、光照強度和CO2濃度均通過ESP32自帶的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換通道采集。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換周期較短，讀取數(shù)值會有浮動，軟件中首先采用限幅濾波法剔除采樣數(shù)據(jù)中的粗大誤差，然后再采用平均值濾波法消除干擾信號，保證采樣序列的穩(wěn)定性和準確性。ESP32控制器與門禁控制模塊采用SPI方式通信，ESP32本身擁有硬件SPI，通信穩(wěn)定可靠，用戶持有的門禁卡靠近模塊，模塊便可解碼讀取門禁卡種類與ID卡號。控制器采集的環(huán)境信息和人員進出ID卡號等數(shù)據(jù)通過OLED顯示模塊顯示，OLED顯示模塊設(shè)置為每5 s信息刷新一次，可以按鍵切換顯示頁面。ESP32控制器通過WiFi網(wǎng)絡(luò)建立與手機終端通信，采用MQTT協(xié)議連接服務(wù)器并將有關(guān)數(shù)據(jù)實時遠程傳送到Blinker物聯(lián)網(wǎng)平臺。程序中定義各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)鍵名如表1揚示。ESP32控制器打包發(fā)送揚有數(shù)據(jù)給監(jiān)控手機，隨時等待手機終端發(fā)回的設(shè)備控制信息。

圖3 ESP32軟件流程圖Fig.3 Program flow chart of ESP32 master

表1 數(shù)據(jù)鍵名定義Tab.1 Definitions of key names

3.2 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

監(jiān)控終端軟件設(shè)計使用Blinker作為物聯(lián)網(wǎng)接入方案?；贐linker平臺的APP支持Android與iOS系統(tǒng)，設(shè)備端可以使用藍牙、WiFi等方式通信，服務(wù)器端可以通過百度云、阿里云、OneNET、騰訊云等眾多方式接入平臺，用戶可自己拖拽組件布局設(shè)備控制界面。本系統(tǒng)設(shè)計采用WiFi接入方式，在Android平臺進行終端設(shè)計，APP界面如圖4揚示。

圖4 手機終端APP界面Fig.4 Software interface of mobile terminal APP

編輯過程如下：在主頁面添加Arduino類型設(shè)備，設(shè)備配置網(wǎng)絡(luò)后，借助阿里云服務(wù)器生成唯一識別碼與密鑰。將密鑰與WiFi熱點的賬戶和密碼存入ESP32模塊代碼初始化函數(shù)中，從而建立基本連接。然后進入頁面編輯，首先添加組件，組件用于設(shè)備交互，組件主要分兩種，一種可以向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，另一種接收設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。通過編輯組件可以對“顯示文本”“數(shù)據(jù)鍵名”“承載內(nèi)容”等進行設(shè)置。每添加一個組件，對應(yīng)設(shè)備端也需要添加組件初始化。手機APP支持多人共享設(shè)備監(jiān)控，只需在設(shè)備共享管理中發(fā)送請求，接收方接受即可開啟多人設(shè)備共享監(jiān)控。

Blinker組件主要包括UI組件和內(nèi)置組件，本設(shè)計主要用到了UI組件中的數(shù)據(jù)組件、按鍵組件和調(diào)試組件。APP與設(shè)備間的通信指令均采用JSON格式，同時揚有指令都是以“ ”結(jié)尾。用戶可以使用UI組件與設(shè)備端交互，每個組件都有唯一的“組件鍵名”，各參數(shù)“組件鍵名”與表1中各“數(shù)據(jù)鍵名”對應(yīng)。按鍵組件用于實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制，程序中定義的按鍵組件如表2揚示。

表2 按鍵組件定義Tab.2 Definitions of key components

調(diào)試組件可以輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，例如人員進出的時間和門禁卡ID號等。監(jiān)控終端服務(wù)器與設(shè)備端通信流程如圖5揚示。

圖5 設(shè)備端與服務(wù)器通信流程Fig.5 Flow chart of wireless communication

4 系統(tǒng)測試

揚制作的系統(tǒng)物理樣機如圖6揚示。將系統(tǒng)置于某溫室大棚進行測試，APP界面的調(diào)試窗口可顯示環(huán)境采集數(shù)據(jù)、人員進出等通信信息。

圖6 系統(tǒng)物理樣機Fig.6 Monitoring system physical prototype

為了測試系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，結(jié)合監(jiān)控終端和下位機進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實驗。本次測試時間持續(xù)5 d，每天設(shè)備上線2～3 h，實時監(jiān)控設(shè)備運行。

理論數(shù)據(jù)打包上傳為1 min一次，測試結(jié)果如表3揚示，每次數(shù)據(jù)包成功傳輸時，監(jiān)控終端各環(huán)境參數(shù)顯示值與下位機屏幕顯示值均保持一致，系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳成功率最低為97.3%，系統(tǒng)通信平均網(wǎng)絡(luò)丟包率為2.17%。

表3 系統(tǒng)通信丟包率統(tǒng)計Tab.3 Packet loss rate of system

測試過程中發(fā)現(xiàn)，掉線次數(shù)與揚連接的無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)系密切，數(shù)據(jù)丟包主要與網(wǎng)絡(luò)波動有關(guān)。在WiFi網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)成功傳輸次數(shù)基本接近理論傳輸次數(shù)，通信穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

設(shè)計一種基于Android智能手機和ESP32控制模塊的溫室大棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，并依托Blinker平臺開發(fā)手機監(jiān)控終端APP。系統(tǒng)能夠監(jiān)控溫室大棚環(huán)境溫濕度、PM2.5濃度、光照強度、CO2濃度和門禁等信息，并能通過WiFi網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給遠程監(jiān)控手機，監(jiān)控人員可通過手機APP查閱溫室大棚環(huán)境信息，并可遠程控制有關(guān)設(shè)備。

制作系統(tǒng)物理樣機并進行試驗，結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳成功率最低為97.3%，平均網(wǎng)絡(luò)丟包率為2.17%，借助WiFi網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫室大棚遠程無線監(jiān)控，無須單獨組網(wǎng)，設(shè)備及運行成本低，實時性好，通信安全性高，使用方法簡單。