WiFi在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度測(cè)量的研究*

解施媛，姜重然，王烯霖，王 旭，張文丹

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯154007； 3.佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

現(xiàn)實(shí)生活中，通過(guò)WiFi來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，WiFi無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，它擁有最多的用戶(hù)和廣泛的群眾基礎(chǔ)，具備傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)愿景高而雄心勃勃，新功能和應(yīng)用層出不窮，在不知不覺(jué)中已經(jīng)充滿(mǎn)了我們的生存空間。在生活中，只要使用智能終端設(shè)備，就會(huì)有WiFi，WiFi的當(dāng)前容量和普及程度是相比于其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)協(xié)議無(wú)與倫比的，這一點(diǎn)毋庸置疑。糧食倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中溫濕度至關(guān)重要，關(guān)系到糧食霉變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大棚溫濕度是最重要的參數(shù)，水稻種子催芽過(guò)程中溫度決定出芽率，由此可看見(jiàn)溫濕度在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要地位。對(duì)WiFi在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中溫濕度的測(cè)量展開(kāi)研究，就能在一定程度上促進(jìn)智能農(nóng)業(yè)發(fā)展[1]。

1 WiFi在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度測(cè)量的結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)

WiFi在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度的檢測(cè)系統(tǒng)主要是利用CC3200無(wú)線(xiàn)WiFi模塊的功能，通過(guò)溫濕度傳感器DHT22的采集功能進(jìn)行溫度和濕度的采集。從整體來(lái)說(shuō)，這個(gè)完整的系統(tǒng)可以由三個(gè)部分組成：溫濕度采集端口、CC3200的服務(wù)器、溫度和濕度接收系統(tǒng)，總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 總體方案結(jié)構(gòu)圖

溫濕度采集部分主要的功能為：特定地點(diǎn)溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集以及輸出。

服務(wù)器的主要功能為：溫濕度數(shù)據(jù)的收集以及保存，還有會(huì)把采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)傳送下去。

客戶(hù)端的功能為：顧名思義，就是客戶(hù)的端口，測(cè)量者可以到客戶(hù)端上看到詳細(xì)的數(shù)據(jù)，收集到一批數(shù)據(jù)后可以進(jìn)行分析。

1.2 采集終端方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的溫度和濕度的測(cè)量部分是本次研究的重點(diǎn)，這個(gè)測(cè)量模塊的構(gòu)建其實(shí)就是溫濕度傳感器DHT22模塊的搭建研究。根據(jù)本次試驗(yàn)的要求，本模塊選擇穩(wěn)定可靠的DHT22原件，作為本次研究的溫濕度傳感器，對(duì)監(jiān)測(cè)地域內(nèi)的溫度、濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜聚。溫濕度傳感器DHT22原件具有功能完善的測(cè)溫元件與采濕元件，內(nèi)部置有一個(gè)功能完善的單片機(jī)元件，為傳感器的工作提供全面的功能，在采集數(shù)據(jù)方面具有很重要的作用。DHT22測(cè)溫濕度時(shí)的反應(yīng)快、而且性?xún)r(jià)比高、抗干擾力強(qiáng)，功耗低且體積小，信號(hào)可傳輸20 m以上，圖2為DHT22電路接線(xiàn)圖[3]。

圖2 DHT22電路接線(xiàn)圖

溫濕度傳感器DHT22發(fā)送數(shù)據(jù)的具體形式如表1。

表1 傳感器發(fā)送形式

在這個(gè)工作過(guò)程中，MCU是一個(gè)發(fā)射端，此發(fā)射端會(huì)將一個(gè)要發(fā)出的信號(hào)發(fā)送出來(lái)，此信號(hào)可以是開(kāi)始信號(hào)，如果這個(gè)信號(hào)是開(kāi)始信號(hào)的話(huà)，那么這個(gè)開(kāi)始信號(hào)會(huì)先進(jìn)行本質(zhì)上的置換，從低耗能方式向高耗能方式進(jìn)行置換，再次置換之后，溫濕度傳感器的接收端產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，而隨著響應(yīng)信號(hào)的發(fā)送，數(shù)據(jù)的發(fā)送也要隨著這個(gè)方式一起發(fā)送，這里的數(shù)據(jù)大小約為40bit，隨著響應(yīng)過(guò)程的結(jié)束，采集過(guò)程將會(huì)重新進(jìn)行，而形成一個(gè)循環(huán)[4]。此系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)無(wú)工作進(jìn)行的情況，如果出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，我們可以設(shè)定總線(xiàn)進(jìn)行控制。當(dāng)通信開(kāi)始，主機(jī)(MCU)開(kāi)始進(jìn)行工作，其工作內(nèi)容可以分為兩項(xiàng)：1) 拉低1～10ms；2) 釋放總線(xiàn)。工作進(jìn)行后，進(jìn)行延遲工作，在20～40μs過(guò)后，主機(jī)工作結(jié)束，開(kāi)始下一項(xiàng)工作——等待從機(jī)應(yīng)答。

從機(jī)的應(yīng)答方式是響應(yīng)信號(hào)的輸出，此信號(hào)應(yīng)為低電平信號(hào)，在這個(gè)信號(hào)發(fā)出后，會(huì)有一個(gè)大致的范圍，這個(gè)范圍大約80μs，當(dāng)超出此范圍后，將會(huì)很快進(jìn)入下一環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)。

1.3 無(wú)線(xiàn)MCU模塊的設(shè)計(jì)

MCU模塊作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊，這個(gè)模塊具有至關(guān)重要的作用，其模塊可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)是嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議部分，這個(gè)部分顧名思義，就是協(xié)議的意思，它負(fù)責(zé)著各個(gè)互聯(lián)網(wǎng)終端的協(xié)議連接的作用，這相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通行證，有了這個(gè)通行證，系統(tǒng)的完善性更加鮮明，在此模塊的支撐作用下，在物聯(lián)網(wǎng)方面也可以更好地聯(lián)系起來(lái)；另一個(gè)部分是嵌入式WiFi部分，這個(gè)部分有著兩種模式：基站；訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，這兩種模式即為此部分的核心功能，選用CC3200作為MCU模塊[5]。

2 WIFI在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件部分首先介紹了采集系統(tǒng)整體的流程，在這一過(guò)程中，軟件系統(tǒng)主程序需要執(zhí)行必要的工作程序，比如在芯片的初始化中，中斷處理器的運(yùn)行是必要的，然后讓網(wǎng)絡(luò)處理器仔細(xì)處理網(wǎng)絡(luò)，然后由個(gè)體創(chuàng)建的幾個(gè)任務(wù)，分別完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、處理的任務(wù)，然后對(duì)任務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行調(diào)控，并且進(jìn)行循環(huán)工作，主程序的流程圖如圖3所示[6]。網(wǎng)絡(luò)方面的整體連接方式多種多樣，而此次研究將采用客戶(hù)端-服務(wù)器這種整體連接方式，這種方式可以更加高效迅速的進(jìn)行測(cè)量，可以將特定時(shí)間、特定地點(diǎn)的溫濕度檢測(cè)出來(lái)，這個(gè)方案需要CC3200與溫濕度傳感器DHT22的連接來(lái)構(gòu)建此框架，構(gòu)建完成后開(kāi)始工作，客戶(hù)端發(fā)送信號(hào)，相應(yīng)端口開(kāi)始響應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中，CC3200客戶(hù)端的強(qiáng)大功能得以體現(xiàn)，期間服務(wù)器端口非常智能，它可以在要求發(fā)送至服務(wù)器時(shí)進(jìn)行智能判斷和選擇，可以選擇接受服務(wù)器所發(fā)出的請(qǐng)求，也可以拒絕服務(wù)器發(fā)出的請(qǐng)求。這也就體現(xiàn)了此服務(wù)器的強(qiáng)大功能。

圖3 主程序流程圖框圖

2.2 溫濕度采集程序的設(shè)計(jì)

溫度和濕度采集過(guò)程為，CC3200的IO口首先是需要進(jìn)行處理的裝置，對(duì)它的作用是進(jìn)行初始化處理，而I2C接口也要進(jìn)行此項(xiàng)梳理過(guò)程，緊接著將要進(jìn)行溫濕度傳感器DHT22的配置行為，通過(guò)一系列的初始化操作后，進(jìn)行下一個(gè)步驟。對(duì)DHT22的接口進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的錄入，錄入后經(jīng)過(guò)處理，它會(huì)輸出工作時(shí)鐘，而有了工作時(shí)鐘之后，溫濕度傳感器DHT22開(kāi)始工作，并會(huì)輸出與之等級(jí)相重的信號(hào)，傳感器接口捕捉同步信號(hào)，開(kāi)始采集溫濕度數(shù)據(jù)，溫濕度數(shù)據(jù)由DMA分段寫(xiě)入系統(tǒng)內(nèi)存，緊接著進(jìn)行存儲(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)行過(guò)程[7]。當(dāng)此過(guò)程完成后，將會(huì)進(jìn)行新一輪的同樣設(shè)定過(guò)程，進(jìn)而開(kāi)始新一輪的檢測(cè)過(guò)程，這些過(guò)程相結(jié)合，才會(huì)出現(xiàn)一套溫濕度測(cè)量數(shù)據(jù)系統(tǒng)，進(jìn)而可以針對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。而對(duì)于溫濕度數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了讓這個(gè)系統(tǒng)可以更好地運(yùn)行，選擇讓它分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是接收部分，另一個(gè)是發(fā)送部分，這兩個(gè)部分可以獨(dú)立的運(yùn)行，而這樣，可以讓兩個(gè)部分互補(bǔ)干擾的運(yùn)行，而不會(huì)互相影響，這樣可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，具體流程圖如圖4所示。

圖4 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

溫濕度是常見(jiàn)的物理量，但是溫濕度可以使物質(zhì)發(fā)生質(zhì)的改變，隨著WiFi與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的進(jìn)一步融合，人們的生活方式會(huì)因此而改變，人們的生活觀念也會(huì)因此發(fā)生改觀，未來(lái)的生活里，肯定是一個(gè)屬于智能WiFIi的生活時(shí)代，在這個(gè)大勢(shì)所趨之下，通過(guò)使用CC3200與溫濕度傳感器DHT22的連接，以及AP端溫濕度數(shù)據(jù)的接收，從而組成一個(gè)完整的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，以測(cè)量特定區(qū)域的溫濕度為目的展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)出一套在線(xiàn)測(cè)量局部溫濕度系統(tǒng)，可以應(yīng)用在糧庫(kù)和農(nóng)業(yè)大棚溫濕度測(cè)量監(jiān)控，也可以應(yīng)用在水稻催芽車(chē)間，在農(nóng)業(yè)工程上有一定的應(yīng)用價(jià)值[8]。