基于Arduino和Machtalk的溫棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計※＊

張強武，唐露新，陳超鋒，范航郡

（廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣州510006）

引 言

隨著大規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的依靠自然資源、效率低下的養(yǎng)殖業(yè)已不能滿足現(xiàn)代高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、生態(tài)的要求，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)正伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術向信息化的方向發(fā)展[1-3]。如何在第一時間內(nèi)獲取更多養(yǎng)殖所需的環(huán)境參數(shù)以實現(xiàn)最佳狀態(tài)下的養(yǎng)殖是現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)成功的關鍵。目前國內(nèi)一些基于物聯(lián)網(wǎng)技術的養(yǎng)殖雖可測量多個養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)，但大多設計復雜、價格昂貴，難以得到廣泛的應用[4-5]。

Arduino是一款基于AVR單片機系統(tǒng)，軟硬件系統(tǒng)都具有高度模塊化的開源電子產(chǎn)品開發(fā)平臺[6]。其內(nèi)部封裝了各種常用的開發(fā)庫和常用傳感器測量的庫函數(shù)供開發(fā)者調(diào)用，開發(fā)者只需著眼于程序的邏輯結(jié)構(gòu)而無需了解底層函數(shù)設計，大大簡化了傳感器測量系統(tǒng)的設計[7]。

Machtalk開放平臺能夠采集任何信息，如城市環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智能家居，可以使用各種傳輸協(xié)議（ZigBee、WiFi、藍牙、GPRS）和傳感器設備。在面向遠程數(shù)據(jù)采集的行業(yè)應用中，用于M2M終端的大范圍組網(wǎng)和管理，涵蓋設備接入、設備管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)挖掘、終端認證、運營計費功能。該平臺支持HTTP、Socket、MQTT等數(shù)據(jù)上傳方式，既滿足低端單片機的數(shù)據(jù)接入，又提供了小型傳輸方式（近距離可考慮ZigBee、藍牙、WiFi方式）。數(shù)據(jù)采用 MD5加密，確保云數(shù)據(jù)安全，其存儲、挖掘、分析和展現(xiàn)托管給此平臺，可以極大地提高信息化水平。此外，Machtalk平臺提供觸發(fā)器設備，當用戶數(shù)據(jù)超出設置的觸發(fā)器范圍時，以此提醒用戶數(shù)據(jù)指數(shù)超標。采用高實時性的Socket通信技術，傳感器數(shù)據(jù)送達時間只取決于網(wǎng)絡環(huán)境。

本文設計了一種基于Arduino和Machtalk的溫棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)，應用于養(yǎng)殖環(huán)境突變狀況下的及時報警；兼具界面友好、性價比高、設計簡單、實時性強、隨時隨地查看、安全的特點，可以起到養(yǎng)殖環(huán)境突變時及時警報的作用。

1 系統(tǒng)總體設計

溫棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由Arduino最小系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)采集模塊、WiFi模塊、人機交互模塊以及基于Machtalk的上位機監(jiān)控室組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。環(huán)境參數(shù)采集模塊將采集到的溫濕度、土壤濕度、PH值、CO2以及光照強度等參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入微處理器，微處理器對轉(zhuǎn)換后的信號進行處理并實時顯示。然后，無線傳輸模塊將處理后的數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。上位機監(jiān)控室采用Machtalk平臺，通過設置 WiFi、設備ID、值ID、數(shù)據(jù)ID、相應的觸發(fā)條件和APIkey，該平臺可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)接收到參數(shù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行拆包。最后，通過設備ID來分別顯示溫棚環(huán)境測量參數(shù)。Machtalk平臺可以自動通過表格、曲線圖等方式記錄近一年或一個月、一個小時內(nèi)的數(shù)據(jù)。此外，該平臺提供觸發(fā)器設備，當用戶數(shù)據(jù)超出設置的觸發(fā)器的觸發(fā)范圍時，觸發(fā)器可以提醒用戶數(shù)據(jù)指數(shù)超標。在設計過程中，當采集到的溫濕度、土壤PH值、空氣中CO2、土壤濕度以及光照強度與預設值（標準范圍）有差異時，一方面可以通過 Machtalk平臺觸發(fā)的方式，發(fā)送郵件或者觸發(fā)開關，另一方面可直接在Arduino軟件設計中加入判斷條件觸發(fā)蜂鳴器等。本設計采用郵件觸發(fā)與蜂鳴器報警相結(jié)合的方式，便于在第一時間內(nèi)獲取養(yǎng)殖系統(tǒng)環(huán)境異常的情況。

圖1 溫棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設計

硬件部分主要包括控制器的選取與電源模塊的設計以及環(huán)境參數(shù)測量模塊、WiFi模塊與人機交互模塊的設計。其中，最小系統(tǒng)采用 Arduino ATmega2560，主要在于ATmega2560具有54路數(shù)字輸入輸出接口（15路用于PWM）和4個硬件串口，豐富的I/O接口便于擴展；人機交互部分由蜂鳴器和LCD1602組成。蜂鳴器用于報警；LCD1602采用4線接法，用于測量數(shù)據(jù)的顯示。最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

溫濕度測量采用具有專用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術的DHT11。DHT11包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，其輸出為數(shù)字信號（8位溫度和8位濕度），具有響應快、抗干擾性強、可靠性高、性價比高的優(yōu)點。其超小的體積、極低的功耗，使其成為最佳選擇。Arduino平臺提供了DHT11的開發(fā)庫，設計過程中只需將數(shù)據(jù)引腳與Arduino的數(shù)字采集接口相連，然后調(diào)用庫直接讀取數(shù)據(jù)，利用串口監(jiān)視其結(jié)果，如圖3所示。

圖3 溫濕度測試結(jié)果

土壤濕度測量采用廣泛應用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、科學試驗的FC-28。FC-28具有體積小，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單的優(yōu)點。其合理的結(jié)構(gòu)設計和不繡鋼探針保證了其使用壽命，外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用且不受腐蝕；測量精度高，性能可靠，響應速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。光照強度測量直接利用光敏二級管的特性，其光照強度測量模塊輸出的結(jié)果提供模擬量和數(shù)字量輸出。FC-28和光照強度測量硬件電路如圖4所示。圖中FC-28和光敏二極管分別與參考基準值進行比較，比較后的模擬結(jié)果作為輸出。

PH值測量采用連線簡單、方便實用、專為Arduino設計的模擬PH測量計。使用時，只需將PH傳感器與板載BNC相連，板載PH2.0連接到Arduino控制器的模擬采集口，結(jié)合Arduino開源測試代碼，稍作修改便可測量溶液的PH值。CO2測量采用范圍為0～10 000 ppm的MG811。MG811采用模擬量和TTL雙路輸出，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、快速的響應恢復特性。在使用模擬量采集過程中，只需將其與控制板模擬采集接口相連，讀取引腳數(shù)據(jù)。

2.2 WiFi模塊

圖4 采集模塊電路

WiFi模塊選用嵌入串口、以太網(wǎng)和 WiFi模塊的HLK-RM04。HLK-RM04基于通用串行接口，符合網(wǎng)絡標準，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧使其能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)和WiFi的轉(zhuǎn)換。通過該模塊，串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。本設計結(jié)合HLK-RM04和相應的擴展底板，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。其配置流程如下：

①使用串口與底板串口相連，搜索串口模塊。

②搜索到串口后，設置為串口轉(zhuǎn)WiFi模式。本設計中采集系統(tǒng)作為客戶端向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡協(xié)議選擇TCP客戶端。

③無線參數(shù)設置。無線參數(shù)根據(jù)自己所開的熱點設置，確保連網(wǎng)。

④遠端IP、端口、串口參數(shù)的設置與TCP服務器參數(shù)（Machtalk 提 供 的IP 為 60.211.253.162、端 口 為10086、波特率115 200 bps、數(shù)據(jù)位8、校驗位NONE、停止位1）相對應。

⑤網(wǎng)絡參數(shù)與無線參數(shù)一致，需根據(jù)實際的網(wǎng)絡環(huán)境設置。利用HLK-RM04提供的調(diào)試助手（如圖5所示），檢測WiFi模塊是否連網(wǎng)，可直接執(zhí)行ping命令設置遠端IP。

圖5 WiFi模塊配置

3 軟件設計與實驗

3.1 軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括基于Machtalk的上位機配置和基于Arduino的測量系統(tǒng)。上位機配置分為三步：第一，注冊Machtalk賬號，獲取APIkey。第二，根據(jù)相應的傳感器模塊添加設備（以溫濕度傳感器為例，需要填寫設備的名稱、測量數(shù)據(jù)范圍和單位等），獲取設備ID和設備Value。第三，設置觸發(fā)條件。可按照養(yǎng)殖所需的條件設置觸發(fā)，本設計通過郵件觸發(fā)的方式，給出最大和最小的閾值進行提醒。

測量模塊主程序設計基于Arduino IDE的開發(fā)平臺完成。由于Arduino平臺提供了WiFi和傳感器測量的庫函數(shù)，大大降低了系統(tǒng)設計的難度。其流程如下：首先，完成初始化（中斷、LCD、DHT11、串口、WiFi等）。接著，按照順序讀取測量數(shù)據(jù)并將其與預定值進行比較。若查詢到測量的數(shù)據(jù)超出預定閾值，則啟動蜂鳴器報警，然后通過串口將數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議格式發(fā)送至WiFi模塊。發(fā)送的串口數(shù)據(jù)中，根據(jù)設備設置相應的device ID和device value，加上相應的標簽設置，即可區(qū)別不同地方的設備測量數(shù)據(jù)。如果測量數(shù)據(jù)在閾值以內(nèi)，則直接將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。完成發(fā)送后返回，循環(huán)上述過程，其程序流程如圖6所示。如果設備和WiFi配置正確、串口發(fā)送格式無誤，在Machtalk上即可看到測量數(shù)據(jù)。

圖6 主程序流程圖

3.2 實 驗

參照上述WiFi模塊配置，設置好WiFi模塊的參數(shù)。然后，將溫濕度傳感器DHT11與Arduino的數(shù)字采集接口連接，光照強度和土壤濕度分別連接模擬采集接口。其測量數(shù)據(jù)（溫度、土壤濕度和光照）通過 WiFi上傳到Machtalk平臺。當測量的閾值超出預定范圍時，蜂鳴器發(fā)出警報聲，接收到Machtalk平臺發(fā)送的電子郵件。Machtalk平臺顯示的數(shù)據(jù)略——編者注。

結(jié) 語

基于Arduino開源環(huán)境和Machtalk物聯(lián)網(wǎng)平臺提出一種溫棚養(yǎng)殖系統(tǒng)中多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的設計方案，完成了相應傳感器模塊測試，以及Arduino測量系統(tǒng)通過WiFi模塊與Machtalk物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，驗證了方案的可行性。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準確測量相關環(huán)境參數(shù)并在Machtalk物聯(lián)網(wǎng)平臺上顯示，對異常環(huán)境進行預警。測量系統(tǒng)采用具有54路數(shù)字I/O的ATmega2560，便于后期擴展更多的傳感器。Arduino和Machtalk平臺結(jié)合，可以降低設計的難度和開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。此外，本系統(tǒng)只需修改WiFi模塊設置，加入9 V鋰電池與相應穩(wěn)壓電路，就可結(jié)合智能設備提供的熱點將其擴展成便攜式測量裝置，也可通過手機應用軟件隨時隨地查看數(shù)據(jù)。在實際應用中，應結(jié)合特定養(yǎng)殖系統(tǒng)的需要選取相應的傳感器。另外，傳感器集中封裝問題還有待解決。

編者注。本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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