朱福英，陳文印，吳 婧，林宏河，林陳隆

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)與人工智能學(xué)院，福州 350000）

0 引言

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，相關(guān)技術(shù)也逐步在農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)步［1-2］。設(shè)施農(nóng)業(yè)是世界現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，代表了目前農(nóng)業(yè)的最高水平。設(shè)施農(nóng)業(yè)最重要的任務(wù)之一是對(duì)設(shè)施內(nèi)植物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)并調(diào)控，使設(shè)施內(nèi)的環(huán)境始終處于適宜的范圍，保證植物健康成長(zhǎng)。其中設(shè)施內(nèi)的溫度和濕度是最重要的兩個(gè)參數(shù)，尤其是溫度對(duì)植物的成長(zhǎng)有著舉足輕重的作用。

有線(xiàn)測(cè)控法是設(shè)施農(nóng)業(yè)中較為常見(jiàn)的溫濕度的監(jiān)測(cè)手段，但該方法存在施工繁瑣、維護(hù)不便等缺點(diǎn)，成本也相對(duì)較高。若項(xiàng)目需要改建，往往需要對(duì)大量的傳感器進(jìn)行拆除重新安裝，維護(hù)升級(jí)難度大［3-4］。越來(lái)越多的研究人員使用了無(wú)線(xiàn)傳輸替代有線(xiàn)通信，常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信有ZigBee、lora、4G、5G 等［5-7］。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）的溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng)在各方面都有著廣泛的應(yīng)用前景，例如：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)庫(kù)管理和工業(yè)制造等。

本文以目前應(yīng)用比較廣泛的ESP32 模塊作為主控模塊，利用開(kāi)源的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Things-Board 作為云平臺(tái)，研發(fā)了一套可靠、實(shí)用的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ESP32有多個(gè)TTL串口通信，加上485外圍電路，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)采集多個(gè)溫濕度設(shè)備的值。ESP32 還可以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi 通信，加上http通信功能就能將溫濕度實(shí)時(shí)上報(bào)至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。ThingsBoard開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠支持多種通信協(xié)議，包括http和MQTT 通信協(xié)議，還支持規(guī)則鏈和組態(tài)。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、搭建簡(jiǎn)單，并且部署靈活、擴(kuò)展性好，現(xiàn)場(chǎng)施工也相對(duì)簡(jiǎn)單。

1 總體設(shè)計(jì)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分，第一部分是具有485通信能力的溫濕度傳感器，主要負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫濕度；第二部分是以ESP32 作為主控模塊的物聯(lián)網(wǎng)采集網(wǎng)關(guān)，同時(shí)具有Wi-Fi 和485 通信能力；第三部分是應(yīng)用較為廣泛的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)ThingsBoard，作為系統(tǒng)的云端模塊。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

485的溫濕度設(shè)備是最常用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之一，通過(guò)485總線(xiàn)可以很容易擴(kuò)展溫濕度設(shè)備數(shù)量，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性。設(shè)備使用Modbus協(xié)議，也可以很容易和其他系統(tǒng)兼容。

加上一些簡(jiǎn)易的外圍電路，ESP32同時(shí)具備485 通信和Wi-Fi 通信能力。結(jié)合485 和Modbus協(xié)議，網(wǎng)關(guān)通過(guò)輪詢(xún)的方式，能夠采集多個(gè)溫濕度值，然后將這些值暫時(shí)存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)中。預(yù)先設(shè)置好熱點(diǎn)的名稱(chēng)和密碼，連上Wi-Fi后通過(guò)HTTP通信協(xié)議將存儲(chǔ)的溫濕度值上報(bào)至云平臺(tái)。

參考官方文檔，搭建好云平臺(tái)后臺(tái)，配置好設(shè)備通信方式，ThingsBoard 就可以接收數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)后，ThingsBoard 會(huì)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，若要更好地查看數(shù)據(jù)，可以配置數(shù)據(jù)面板，利用網(wǎng)頁(yè)就能查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。

2 ESP32硬件設(shè)計(jì)

硬件電路包括ESP32 主控模塊電路、電源模塊電路、指示燈電路、按鍵電路、繼電器模塊電路、開(kāi)關(guān)量輸入電路、485通信電路、溫濕度設(shè)備組成，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

（1）ESP32主控模塊

主控模塊采用樂(lè)鑫信息科技的ESP32 系列芯片為基礎(chǔ)的模組，該芯片為Wi-Fi加藍(lán)牙的雙模雙核芯片，主頻高達(dá)240 MHz，支持串口通信、SPI 通信接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口［4］。模組將引腳引至兩側(cè)的排針，可以方便連接到外部電路。

（2）電源模塊

電源模塊采用MIC29302 和HT7533 兩款電源芯片組合設(shè)計(jì)。市電輸入后被轉(zhuǎn)為12 V 直流電源，MIC29302 用于12 V 降壓至5 V，HT7533將5 V 電壓降至3.3 V，兩款都是低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓電路，可以使用較少的外圍元器件就可以達(dá)到較好的降壓效果。電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

（3）指示燈和按鍵

指示燈和按鍵用于用戶(hù)交互，通過(guò)指示燈可以判斷是否電源和模組工作正常，按鍵可以用于切換模組的工作狀態(tài)。按鍵和指示燈電路如圖4所示。

圖4 按鍵和指示燈電路

（4）485通信

系統(tǒng)采用SP3485 作為T(mén)TL 和485 轉(zhuǎn)換芯片，該芯片滿(mǎn)足RS-485 標(biāo)準(zhǔn)，最高速度可以達(dá)10 Mbps。最大支持32 個(gè)擴(kuò)展芯片，滿(mǎn)足系統(tǒng)應(yīng)用需求。485電路如圖5所示。

圖5 485電路

（5）溫濕度設(shè)備

溫濕度設(shè)備選用的是具有485通信的數(shù)字式溫濕度傳感器，該設(shè)備采用的傳感器是SHT20，該傳感器有著0～100%的濕度測(cè)量范圍，3%的精度，溫度測(cè)量范圍是-40℃～125℃，精度為0.5℃。溫濕度設(shè)備接線(xiàn)如圖6所示。

圖6 溫濕度接線(xiàn)圖

3 ThingsBoard平臺(tái)

3.1 ThingsBoard簡(jiǎn)介

ThingsBoard 是目前Github 上最流行的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之一，該開(kāi)源平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入并提供綜合物聯(lián)網(wǎng)解決方案，功能眾多，分別是海量連接、在線(xiàn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等［7］。

ThingsBoard 是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生的開(kāi)放平臺(tái)，不僅適用于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及協(xié)議類(lèi)型，還可以為各類(lèi)傳感器和智能硬件提供快速接入與大數(shù)據(jù)服務(wù)等［8］。利用該開(kāi)源平臺(tái)可以快速實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目。ThingsBoard云平臺(tái)還支持多種協(xié)議接入，包括COAP 協(xié)議、MQTT 協(xié)議以及HTTP 協(xié)議［9］。

ThingsBoard 平臺(tái)可以運(yùn)行在Linux 環(huán)境中，本文所用的Linux 發(fā)行版本是Ubuntu 18.04 桌面版，該版本的操作系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

基于ThingsBoard 進(jìn)行設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)植物工廠(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化處理以及用戶(hù)遠(yuǎn)程操控，完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)以及指令下發(fā)等功能。用戶(hù)只要通過(guò)移動(dòng)設(shè)備或個(gè)人電腦登錄遠(yuǎn)程云平臺(tái)就能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控植物工廠(chǎng)生長(zhǎng)環(huán)境［6］。

3.2 ThingsBoard環(huán)境搭建

在使用ThingsBoard 服務(wù)器之前，要先對(duì)其進(jìn)行安裝，詳細(xì)的安裝教程可參考ThingsBoard官方網(wǎng)站的教程。

進(jìn)入U(xiǎn)buntu 命令操作界面后，輸入“sudo service thingsboard start”的指令，會(huì)彈出輸入密碼的指令，輸入正確密碼之后，若是沒(méi)有出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)行為，則表示ThingsBoard服務(wù)器啟動(dòng)成功。接下來(lái)，查詢(xún)當(dāng)前IP 地址。在終端輸“ifconfig”，彈出的信息中inet 后面的IP 地址就是平臺(tái)的IP地址。

獲得IP 地址后，打開(kāi)瀏覽器，在地址欄輸入“IP:8080/login”，就可以進(jìn)入ThingsBoard 平臺(tái)的登入界面，如圖7所示。

圖7 ThingsBoard平臺(tái)的登入界面

登入賬號(hào)，進(jìn)入租戶(hù)界面，如圖8所示。

圖8 ThingsBoard平臺(tái)的租戶(hù)界面

在ThingsBoard 平臺(tái)上，需要對(duì)設(shè)備和儀表板庫(kù)這兩部分模塊進(jìn)行配置，一是方便HTTP的連接，二是將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作。首先對(duì)設(shè)備管理模塊進(jìn)行配置，在首界面中首先點(diǎn)擊“設(shè)備”功能，然后在彈出的界面上點(diǎn)擊“添加設(shè)備”，最后在彈框中輸入設(shè)備名稱(chēng)即可成功添加設(shè)備。

其次，對(duì)看板進(jìn)行配置。在儀表板庫(kù)中添加儀表板，添加步驟與添加設(shè)備類(lèi)似。儀表板添加成功后，打開(kāi)該儀表板，點(diǎn)擊右下角的圓形編輯標(biāo)志，進(jìn)入編輯模式。進(jìn)入之后，點(diǎn)擊添加新的部件，選擇創(chuàng)建新部件。在選擇部件包中選擇“Charts” 中的“Timeseries Line Chart”，點(diǎn)擊該部件，添加溫度和濕度兩個(gè)數(shù)據(jù)源，再點(diǎn)擊完成應(yīng)用更改。至此，ThingsBoard平臺(tái)搭建完成。設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，用戶(hù)就可以隨時(shí)查看溫度和濕度數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，如圖9所示。

圖9 ThingsBoard平臺(tái)儀表板界面

4 嵌入式代碼設(shè)計(jì)

嵌入式代碼是基于Visual Studio Code 中的PlatformIO 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的代碼編寫(xiě)，采用模塊化編程的設(shè)計(jì)思想，將各個(gè)功能拆分為多個(gè)程序模塊，再將各個(gè)模塊銜接在一起，用C/C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。程序流程如圖10所示。

圖10 程序流程

本系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)及平臺(tái)連接主要是通過(guò)ESP32 的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。該程序主要包含了Wi-Fi通信驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和平臺(tái)連接三個(gè)模塊。

Wi-Fi 通信程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)設(shè)置Wi-Fi 連接模式，確認(rèn)連接的Wi-Fi名稱(chēng)和密碼，然后初始化Wi-Fi，與ThingsBoard 處于同一個(gè)Wi-Fi 站點(diǎn)下。

數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)主要利用Modbus 協(xié)議并通過(guò)串口下發(fā)指令，采集到溫濕度數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)打包。

平臺(tái)連接程序設(shè)計(jì)主要處理HTTP 協(xié)議代碼，利用該協(xié)議與ThingsBoard 進(jìn)行連接以及數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 Wi-Fi通信驅(qū)動(dòng)

Wi-Fi 是使用率最多的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)之一，而Wi-Fi 的技術(shù)研發(fā)門(mén)檻和產(chǎn)品成本都相對(duì)較低，技術(shù)開(kāi)發(fā)難度也小，并且許多設(shè)備都支持Wi-Fi 連接［10］。因此本系統(tǒng)采用Wi-Fi 作為無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。

其主要的Wi-Fi功能代碼如下：

4.2 數(shù)據(jù)采集

溫濕度數(shù)據(jù)的采集程序，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度信息的處理和收集。程序邏輯結(jié)構(gòu)如下：首先對(duì)ESP32 的串口進(jìn)行初始化配置，調(diào)整串口參數(shù)，與傳感器串口通信參數(shù)保持一致。初始化完成后，串口發(fā)送指令至傳感器，將返回的數(shù)據(jù)保存至數(shù)組中，利用中間參數(shù)獲取溫濕度的值。

參考代碼如下:

4.3 平臺(tái)連接

平臺(tái)連接采用HTTP 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。HTTP 協(xié)議屬于應(yīng)用層協(xié)議，通過(guò)TCP/IP 協(xié)議簇傳遞數(shù)據(jù)，可分為客戶(hù)端和服務(wù)端兩個(gè)部分。客戶(hù)端主要通過(guò)HTTP向服務(wù)端請(qǐng)求資源，若是服務(wù)端接收到請(qǐng)求，則會(huì)響應(yīng)客戶(hù)端［11］。

系統(tǒng)使用的是HTTP客戶(hù)端。該程序設(shè)計(jì)邏輯如下：首先，聲明一個(gè)HTTP客戶(hù)端對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行初始化。其次，查詢(xún)?cè)O(shè)備的訪(fǎng)問(wèn)令牌，以便確認(rèn)上傳數(shù)據(jù)的路徑［12］。接著設(shè)置HTTP的請(qǐng)求方式，請(qǐng)求頭文本類(lèi)型和文本數(shù)據(jù)。最后設(shè)置HTTP 客戶(hù)端斷開(kāi)連接，防止長(zhǎng)時(shí)間不響應(yīng)的情況。

參考代碼如下：

5 測(cè)試

5.1 硬件電路調(diào)試

硬件電路焊接后，需要檢查是否存在虛焊的情況，排查接線(xiàn)情況，然后通電后查看電路是否有異常，例如有無(wú)冒煙和發(fā)燙。若上電后沒(méi)有問(wèn)題，下載代碼運(yùn)行，查看指示燈是否按照預(yù)期閃爍，然后通過(guò)路由器檢查是否有設(shè)備連接，若有說(shuō)明ESP32 運(yùn)行正常。硬件設(shè)備如圖11所示。

圖11 硬件實(shí)物圖

5.2 平臺(tái)調(diào)試

硬件設(shè)備沒(méi)有問(wèn)題后，就要跟平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，本系統(tǒng)采用模塊化編程，在調(diào)試的過(guò)程中可以對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分別測(cè)試，提高調(diào)試效率。

連接平臺(tái)后進(jìn)入面板查看數(shù)據(jù)，出現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)后，查看溫濕度上報(bào)的時(shí)間和頻率。然后可以用手捂住溫濕度設(shè)備，讓溫度和濕度都發(fā)生變化，再在平臺(tái)觀察數(shù)據(jù)變化情況，若溫濕度發(fā)生變化，則系統(tǒng)運(yùn)行正常。溫濕度上報(bào)后，數(shù)據(jù)面板結(jié)果如圖12所示。

圖12 Thingsboard面板界面

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一套植物工廠(chǎng)無(wú)線(xiàn)溫濕度采集系統(tǒng)，結(jié)合了電子技術(shù)和通信技術(shù)。溫濕度設(shè)備采用485傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)植物工廠(chǎng)環(huán)境內(nèi)的溫濕度，同時(shí)使用了ESP32、MIC29302WU線(xiàn)性穩(wěn)壓器等硬件模塊，組成了該系統(tǒng)的硬件電路部分。該電路設(shè)計(jì)合理、價(jià)格低廉，操作較簡(jiǎn)單。

在軟件開(kāi)發(fā)上，使用C/C++語(yǔ)言，簡(jiǎn)單明了。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸功能將采集到的數(shù)據(jù)上報(bào)到Things-Board 平臺(tái)，從而解決了植物工廠(chǎng)環(huán)境中溫濕度參數(shù)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、使用方便，還具有準(zhǔn)確性高、高能效的優(yōu)點(diǎn)。