基于物聯(lián)網的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

汪思德，陳乙鑫

（西華大學計算機與軟件工程學院，成都 610039）

0 引言

物聯(lián)網技術目前已經覆蓋到生活的各個方面，是當前信息時代的主要技術之一。本創(chuàng)新設計正是運用了物聯(lián)網技術，主要針對工業(yè)或現(xiàn)代農業(yè)的周邊環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制，以達到環(huán)境保護和農業(yè)生產現(xiàn)場環(huán)境控制的目的。本設計主要以ARM 微處理器STM32 為基礎構建數(shù)據(jù)處理模塊，基于物聯(lián)網技術，結合無線傳感技術通過網絡傳輸實現(xiàn)對農業(yè)的環(huán)境監(jiān)測，建立智慧化、精準化的現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。準確、遠程、自動、實時監(jiān)測環(huán)境，滿足精準對環(huán)境監(jiān)測的要求。

1 方案介紹

本系統(tǒng)主要包括三個層次。感知層：即數(shù)據(jù)采集層，利用STM32F103 系列微處理器整合各種傳感器（溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器）構建數(shù)據(jù)采集和處理終端，負者采集和處理農作物生長環(huán)境參數(shù)。傳輸層：感知層所采集到的農作物生長環(huán)境因素參數(shù)通過無線網絡傳輸?shù)皆品掌鲾?shù)據(jù)庫。應用層：即用戶端，Web 網頁從數(shù)據(jù)獲取環(huán)境的溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度信息，并且以圖表形式實時顯示。同時，可根據(jù)獲取的各類信息進行灌溉、升溫降溫等控制[1]。

2 硬件設計

2.1 硬件功能框圖

如圖1 硬件框圖所示，本系統(tǒng)硬件電路以STM32F103 系列單片機為核心搭建數(shù)據(jù)采集和處理電路，整合溫濕度傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳濃度傳感器，PM2.5 濃度和PM10 濃度，采用Wi-Fi 通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2.2 MMCCUU模板設計

本系統(tǒng)中，CPU 需要對多個傳感器數(shù)據(jù)進行采集和處理，因此對CPU 的處理性能、存儲容量和資源接口都有較高要求[3]。本次設計選用STM32F103 系列單片機。經過評估STM32F103RCT6 滿足本設計對CPU的需求。

MCU 最小系統(tǒng)電路包含了時鐘電路、復位電路、配置電路、狀態(tài)燈、調試接口和去耦電容。在圖2 中，C9、C10、X1 構成了時鐘電路，X1 為 8M 晶振，經過CPU 內部的PLL 鎖相環(huán)進行倍頻后達到72M 為CPU提供時鐘信號，C9、C10 為起振電容。R3、C11、K1 構成了復位電路，STM32 系列單片機為低電平復位。上電時，單片機復位，單片機正常工作時復位引腳NRST 被上拉，保持高電平。若需要手動復位，按下復位按鍵K1，單片機復位引腳NRST 被拉低，單片機復位。R4-R7 四個電阻構成了啟動模式配置電路，R4、R5 為上拉電阻，R6、R7 為下拉電阻。本電路中，R4、R5 默認 NC，單片機 BOOT0 和 BOOT1 被下拉，當 BOOT1=x BOOT0=0 從用戶閃存啟動，這是正常的工作模式。當需要改變單片機啟動模式時，可以通過改變R4-R7 四個電阻的焊接狀態(tài)來改變BOOT0 和BOOT1 的電平狀態(tài)，從而改變單片機啟動模式。R1、LED1 構成了狀態(tài)燈電路連接到單片機PA0 口，當PA0 輸出低時綠色LED 被點亮?？稍谲浖凶孭A0 口以一定頻率改變狀態(tài)，當單片機正常工作，程序正常運行時，LED 會以一定頻率閃爍。通過狀態(tài)燈能方便判斷單片機是否在正常工作，利于調試。CN2 是串口調試接口和JTAG調試接口。C12—C17 六個電容是MCU 電源去耦電容，PCB 布局時緊靠在MCU 電源引腳，保證MCU 供電穩(wěn)定。

圖1 硬件平臺功能框圖

2.3 傳感器模板設計

（1）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器負責采集農作物生長環(huán)境中溫度和濕度信息，本設計運用DHT11 作為溫濕度傳感器。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。其電路圖如圖3 所示。

圖2 MCU最小系統(tǒng)原理圖

圖3 DHT11模塊電路

（2）光照強度傳感器

光照強度傳感器負責采集農作物生長環(huán)境中的光照強度參數(shù)，本設計運用數(shù)字式光照傳傳感器模塊GY-30 作為光照強度傳感器。GY-30 是一種通用的光照度檢測模塊，內置模數(shù)轉換電路，直接數(shù)字輸出。采用 ROHM 原裝 BH1750FVI 芯片，內置 16bit AD 轉換器直接數(shù)字輸出，省略復雜的計算，省略標定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性。其電路圖如圖4 所示。

（3）CO2濃度傳感器

二氧化碳濃度傳感器負責采集農作物生長環(huán)境中二氧化碳濃度信息，本設計運用T6603-5 作為溫濕度傳感器。T6603-5 是美國GE 公司研發(fā)的一款基于紅外光學原理的氣體二氧化碳濃度傳感器，比敏感體化學材料更具氣體選擇性。其電路圖如圖5 所示。

圖4 GY-30模塊電路

圖5 T6603-5模塊電路

2.4 通信模塊設計

本系統(tǒng)通信模塊采用ALIENTEK 推出的一款高性價比 UART-WIFI（串口-無線）模塊 ATK-ESP8266，該模塊板載ai-thinker 公司的ESP8266 模塊。

ATK-ESP8266 模塊采用串口（LVTTL）與 MCU（或其他串口設備）通信，內置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)串口與Wi-Fi 之間的轉換。通過ATK-ESP8266 模塊，傳統(tǒng)的串口設備只是需要簡單的串口配置，即可通過網絡（Wi-Fi）傳輸自己的數(shù)據(jù)[4]。ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V 和5V 單片機系統(tǒng)。模塊支持串口轉Wi-Fi STA、串口轉AP 和Wi-Fi STA+Wi-Fi AP 的模式，從而快速構建串口-Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設備使用互聯(lián)網傳輸數(shù)據(jù)。

ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，兼容3.3V和5V 單片機系統(tǒng),可以很方便地與單片機進行連接。本設計中為ATK-ESP8266 模塊供電3.3V，模塊串口I/O 電平為：Voh（min）1.44V、Vol（max）0.18V、Vih（min）1.35V、Vil（max）0.45V，可直接與單片機 I/O 相連。電路的模塊接收數(shù)據(jù)TXD 引腳與單片機USART2_RXD（PA3）相連，模塊發(fā)送數(shù)據(jù) RXD 引腳與單片機USART2_TXD（PA2）相連，模塊復位 RST 引腳與單片機PA1 相連。

3 軟件設計

3.1系統(tǒng)主程序結構

軟件系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制輸出三大部分，各部分采用多個進程協(xié)同完成功能，每個進程職責單一。通過Contiki 嵌入式操作系統(tǒng)進行各部分任務進程的調度[5]。系統(tǒng)主程序結構如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主程序結構圖

3.2 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集主要是指對各個傳感器輸出數(shù)字信號的讀取，并存入FIFO 隊列進行數(shù)據(jù)緩存，等待數(shù)據(jù)傳輸流程提取數(shù)據(jù)的過程。其中包括溫濕度傳感器串行數(shù)據(jù)讀取，二氧化碳濃度UART 串口數(shù)據(jù)的讀取，土壤溫濕度和光照強度I2C 串行總線數(shù)字信號的讀取。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸流程

數(shù)據(jù)傳輸流程主要指的是從FIFO 隊列提取各傳感器數(shù)據(jù)按照JSON 格式打包后利用串口通過Wi-Fi傳輸數(shù)據(jù)的過程。詳細流程：感知層傳感器數(shù)據(jù)字節(jié)流→字節(jié)轉FIFO 節(jié)點結構體→放入接收FIFO 緩存隊列→從接收緩存中依次讀取字節(jié)→判斷協(xié)議包頭相等→讀取整個首部→校驗首部→讀取數(shù)據(jù)域→校驗數(shù)據(jù)和→存入?yún)f(xié)議包PackBlock 結構體→存入接收包緩沖隊列→從接收包緩存中取出協(xié)議包→判斷包目標地址→刪除應答包→發(fā)送回應包→處理包。

3.4 輸出控制流程

輸出控制流程是指Web 運用層發(fā)出控制信號到感知層下位機收到數(shù)據(jù)包后解析數(shù)據(jù)包并做出相應控制的過程。詳細流程：應用層產生控制消息→cJSON封裝消息→cJSON 獲取JSON 字符串→生成協(xié)議包PackBlock 結構體→轉為待發(fā)送的字符流→字符流添加到未發(fā)送緩沖隊列→從未發(fā)送隊列取出字符流包→指定通道發(fā)送字符流包→獲取字符流包→解析字符流包→做出相應控制。

4 結語

本設計基本實現(xiàn)了預期功能，能實現(xiàn)遠程檢測農作物生長環(huán)境中的溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度參數(shù)。本設計具有一定的實際應用價值，運用于現(xiàn)代農業(yè)生產中能準確獲取農作物生長過程所需的環(huán)境參數(shù)，有利于節(jié)約人力，降低成本，提高農作物質量。同時具有一定擴展性，不僅能運用于農業(yè)環(huán)境監(jiān)控，也可適用于其他環(huán)境，例如將傳感器換成PM2.5 傳感器和有害氣體傳感器本系統(tǒng)就可運用于遠程空氣質量檢測。但本設計還有很多不足之處，最大的不足之處在于控制部分不夠完善，由于對農業(yè)大棚中灌溉和升降溫等控制方式并不了解，而且基于成本限制，本設計的控制部分還只是理論的設計，并沒有實際運用。同時，本設計通信是基于2.4G 的Wi-Fi 通信，這要求農業(yè)大棚內需要覆蓋Wi-Fi 網絡，且Wi-Fi 傳輸距離有限，并且沒有做多點監(jiān)控的組網，后續(xù)需要做較大改進。設計之初電源部分考慮的是利用太陽能加電池的方案。由于成本和時間限制，最終改為從AC220V 市電供電。后續(xù)改進時可優(yōu)化電源設計。