鄭 雯 ， 李承輝 ， 王 凱 ， 張 博 ， 謝徐峰 ， 邱子儀 ， 滕紅麗

（河南農(nóng)業(yè)大學理學院，河南 鄭州 450002）

草莓營養(yǎng)價值高、果肉鮮美，在我國有很大的市場需求[1]。優(yōu)質(zhì)草莓的生長離不開適宜的生長溫度、空氣濕度以及充足的水分，而傳統(tǒng)人工采集環(huán)境參數(shù)不僅效率低而且無法保證數(shù)據(jù)的實時性，會影響草莓的質(zhì)量[2]?；诖?，課題組設(shè)計了一款低成本、高效益、操作簡單的草莓園區(qū)環(huán)境感知系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)利用DHT11溫濕度傳感器和YL-69土壤濕度傳感器實時感知草莓園區(qū)環(huán)境變化，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至Arduino開發(fā)板，使用按鍵調(diào)節(jié)傳感器感知環(huán)境參數(shù)的范圍，然后將環(huán)境數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)參數(shù)在LCD上顯示。同時使用I2C串口協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至ESP8266，再使用無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至移動終端。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2 硬件設(shè)計

2.1 DHT11與Arduino的接口設(shè)計

DHT11傳感器又稱為數(shù)字溫濕度傳感器，是一款電平信號輸出的溫濕度復合傳感器。它使用專有的元器件監(jiān)測溫濕度，結(jié)合模擬信號A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，保證傳感器能夠有極高的環(huán)境變化感知靈敏性以及能夠長時間使用的高質(zhì)量[3]。傳感器包括一個濕度傳感器和一個NTC測溫元件，具有穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)精度高、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[4]。DHT11采用單總線通信方式，采用單根信號線DATA完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸，VDD輸入電壓3.3 V～5.5 V，NC空腳，GND接地引腳。

DHT11與Arduino UNO之間的電路連接非常簡單，課題組在設(shè)計該系統(tǒng)時，將DATA接Arduino的D2引腳。DHT11電路連接圖如圖2所示。當數(shù)據(jù)線長度短于20 m時，可以使用5 kΩ上拉電阻，大于20 m時可根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。

圖2 DHT11電路連接圖

2.2 土壤濕度傳感器與Arduino的接口設(shè)計

本系統(tǒng)所使用的土壤濕度傳感器為電阻式傳感器，傳感器表面采用特殊的防銹處理，能夠很好地提高傳感器接觸面的導電性、解決傳感器表面生銹的困擾[5]。傳感器由一個土壤探頭和放大電路組成，可以輸出模擬量和數(shù)字量。通過可變電阻的大小與土壤探頭獲得的輸出電壓來比較輸出數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器中的電位器用于調(diào)節(jié)土壤濕度的閾值，順時針調(diào)節(jié)濕度越大，逆時針則越小。

傳感器的處理芯片為電壓比較器LM393芯片。該芯片精度高，在很大程度上避免了由于溫度變化引起電壓過載現(xiàn)象，輸入電路電壓接近接地電壓。土壤濕度傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 土壤濕度傳感器原理圖

2.3 按鍵與Arduino的接口設(shè)計

按鍵開關(guān)是一種功能性的電子開關(guān)。如圖4所示，輕輕點按開關(guān)按鈕即可使開關(guān)接通，松手時開關(guān)即斷開。

圖4 按鍵圖

系統(tǒng)設(shè)置有“顯示”“切換”“+”“-”等4個按鍵，用于顯示閾值界面詳情，切換參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)草莓園內(nèi)環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤濕度的閾值范圍。四個按鍵分別連接Arduino的9、10、11、12引腳，接10 kΩ上拉電阻，具體以Arduino的D10口與按鍵（用于加數(shù)值）的連接為例，連接圖如圖5所示。

圖5 按鍵與Arduino的連接圖

2.4 LCD顯示器與Arduino的接口設(shè)計

LCD1602是一款字符型液晶顯示器。字符的顯示由點陣圖實現(xiàn)，每一個點陣由0/1代碼來點亮，同時寫入控制字地址RAW區(qū)地址是由三位十六位數(shù)字組成（000H～FFFH），每一位字符都有自己的特定十六位地址控制字[6]。該系統(tǒng)采用2行16列顯示模塊。

該顯示器集成了I2C總線接口模塊作為 LCD1602的驅(qū)動模塊，使得LCD1602的接線變得更為簡潔方便，只需兩條通信串口線就可以和Arduino通信[7]。LCD1602液晶屏可在控制面板直接供電的情況下，不需要外帶驅(qū)動設(shè)備就能夠正常運行，此處LCD1602采用4 bit模式以減少與Arduino的聯(lián)機。將數(shù)據(jù)分批傳輸，連接線路時，僅需要連接D4～D7數(shù)據(jù)端，而將D0～D3數(shù)據(jù)端懸空。電路原理圖如圖6所示。

圖6 LCD與Arduino連接圖

2.5 ESP8266與Arduino的接口設(shè)計

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，其擁有極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應用設(shè)計，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[8-9]。

該系統(tǒng)采用的ESP8266串口WiFi模塊共有四個有效引腳，如圖7所示，其余引腳需懸空。其中，TXD是數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RXD是數(shù)據(jù)接收引腳，可以分別接在Arduino的TX口和RX口，此時Arduino的RX口作為串口數(shù)據(jù)接收口復用，TX口作為串口數(shù)據(jù)發(fā)送口復用，分別接在WiFi模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送口與接收口。

圖7 ESP8266引腳

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)硬件架構(gòu)完成后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要由傳感器獲取、ESP8266WiFi模塊、LCD顯示器、外圍設(shè)備控制等幾個程序模塊組成。程序開始后先進行初始化，完成對Arduino的I/O口、內(nèi)部寄存器、串行通信的波特率等的初始設(shè)置。對于ESP8266WiFi模塊，其初始化過程如下：先對WiFi模塊復位重啟，然后設(shè)置成AP工作模式，并啟動多連接，最后設(shè)置開啟服務器模式。WiFi模塊的波特率設(shè)置為9 600，將其和Arduino串口連接。ESP8266連接網(wǎng)絡(luò)程序如下：

#include ＜ESP8266WiFi.h＞

#include ＜ESP8266WebServer.h＞

#include ＜WiFiManager.h＞

const char * ssid = "strawberry";

const char * password = " strawberry 123";

void setup_wifi() {

delay(10);

Serial.println();

Serial.print("please contect to me and then mange wifiAP ");

Serial.println(ssid);

WiFiManager wifiManager;

wifiManager.autoConnect("AutoConnectAP");

接著進行溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集、顯示和傳輸，同時進行按鍵檢測，通過掃描按鍵是否按下，觸發(fā)相應的事件（LCD閾值調(diào)節(jié)界面顯示、選項切換以及閾值加減四個事件）。若事件被觸發(fā)，則系統(tǒng)會執(zhí)行相應的動作。Arduino將接收到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)特定的閾值進行比較，若超出設(shè)定的閾值范圍便會控制加熱器、除濕風扇、降溫風扇以及水泵，對草莓園環(huán)境參數(shù)進行相應的調(diào)節(jié)。若在閾值范圍內(nèi)則將數(shù)據(jù)傳輸至服務器，使移動終端可以獲取及顯示草莓園內(nèi)的實況。系統(tǒng)實時感知和控制草莓園環(huán)境部分程序流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)感知與控制部分程序流程圖

移動終端的設(shè)計采用的是快捷、開發(fā)周期短、兼容性強的微信小程序[10]。小程序被打開后會自動連接服務器，接收從服務器發(fā)送過來的信息，并將草莓園區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)顯示在首頁。用戶也可以通過點擊遠程控制頁面的按鈕控制草莓園內(nèi)相應的設(shè)備。微信小程序軟件流程圖如圖9所示。

圖9 微信小程序軟件流程圖

4 結(jié)語

課題組設(shè)計了一款智能化草莓園環(huán)境感知系統(tǒng)，包括硬件搭建及軟件設(shè)計，通過對草莓的生產(chǎn)環(huán)境進行全方位動態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)了對草莓智能、高效、高質(zhì)的種植與管理。該系統(tǒng)也存在一些不足，如人機交互體驗較為單一，設(shè)備布線并不美觀等。后期可從系統(tǒng)的實用性以及美觀性等方面進行完善，并加大開發(fā)力度，將其早日投入大棚的實際應用中。