一種低成本的大棚氣象檢測儀設(shè)計與實現(xiàn)

歐慶榮 郭紅英

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院 福建省漳州市 363000）

大棚農(nóng)業(yè)種植可以有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)大棚氣象檢測是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的重要標(biāo)志之一，是農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)各環(huán)節(jié)檢測、協(xié)作的重要技術(shù)保證[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)運用一系列的傳感器技術(shù)，把傳感器采集數(shù)據(jù)和服務(wù)器通信，繼5G之后全世界主要發(fā)達(dá)國家作為新的高質(zhì)量經(jīng)濟(jì)增長點。人民生活水平的不斷提高，居民出行使用汽車越來越多，汽車尾氣等進(jìn)入大氣致使PM2.5/10的濃度越來越高。由于農(nóng)作物生長與自然環(huán)境息息相關(guān)，農(nóng)作物對溫濕度過高或者過低、PM2.5濃度較高、氣候氣壓變化、光照強度都會大大降低產(chǎn)量與品質(zhì)[3]。而溫濕度、光照氣壓、PM2.5等氣候?qū)ο鄳?yīng)的農(nóng)作物影響都不一樣，因而，設(shè)計一種精準(zhǔn)測量并能夠設(shè)置監(jiān)控溫濕度、PM2.5等氣象數(shù)據(jù)預(yù)警值，同時能夠及時發(fā)出警報的系統(tǒng)達(dá)到高效監(jiān)管，對農(nóng)作物種植人員已刻不容緩[4-6]。

自4G網(wǎng)絡(luò)普及以來，5G基站建設(shè)如火如荼，物聯(lián)網(wǎng)與手機端android得到了快速發(fā)展，這解決了儀器檢測設(shè)備需要借助有限網(wǎng)絡(luò)的局限性。大棚氣象無線監(jiān)測通常采用Wi-Fi、ZigBee和藍(lán)牙三種無線通信技術(shù)[7]。其中ZigBee雖然最大接入數(shù)量高達(dá)65000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，但是它是三者抗干擾性能最差，一旦ZigBee與藍(lán)牙信號的信道重合，ZigBee信號性能會受到嚴(yán)重干擾[8-9]。而藍(lán)牙無線通信本身傳輸?shù)木嚯x相對較短，存在著不同的設(shè)備之間因協(xié)議問題導(dǎo)致的不兼容的不足[10]。Wi-Fi具有易于擴(kuò)展和高速傳送數(shù)據(jù)特點，成本比較低，支持Wi-Fi的產(chǎn)品很多，所以選擇通過Wi-Fi實現(xiàn)無線通信。故本人設(shè)計一種采用低成本的國產(chǎn)單片機STC15W4K56S4為主控芯片將大棚的溫度濕度、氣壓、PM2.5/10濃度通過ESP8266-01系列的Wi-Fi模塊傳入手機安卓端，實現(xiàn)對大棚氣象參數(shù)監(jiān)控并對極端氣候進(jìn)行預(yù)警從而增加大棚農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

檢測儀采集大棚環(huán)境參數(shù)時，需要明確檢測環(huán)境因子并明白環(huán)境變化對大棚植物的影響。不具備無線網(wǎng)絡(luò)傳送采集檢測的數(shù)據(jù)容易致使隨意、盲目與憑經(jīng)驗種植錯失農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境，使直接無線傳輸?shù)椒?wù)器來遠(yuǎn)程監(jiān)測控制，為農(nóng)作物種植提供科學(xué)依據(jù)顯得迫在眉睫[11]。因此，本設(shè)計采用氣壓傳感器、粉塵傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器采集大棚里的氣象信息傳輸給主控芯片STC15W4K56S4單片機，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過Wi-Fi模塊傳送至安卓終端。管理員通過在安卓手機端的APP設(shè)置氣象數(shù)據(jù)的預(yù)警值，一旦超過警戒值后手機應(yīng)用端收到預(yù)警通知，實現(xiàn)監(jiān)控氣象數(shù)據(jù)，讓植物成長在適合的環(huán)境里。

2 硬件設(shè)計

圖1：系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計主要硬件電路如圖2所示，U1為主控芯片STC15W4K56S4單片機，具有高速、低功耗、抗干擾性強4K RAM和56K ROM，支持在線編程等特點，實現(xiàn)傳感器的采集大棚氣象數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送至手機端。U2為16位AD轉(zhuǎn)換的BH1750光照傳感器，能夠表示1-65535lx，采集的光照數(shù)據(jù)經(jīng)過P1.4和P1.5接口IIC 總線SDA和SCL通信。其中光照強度等于讀取值乘以分辨率除以1.2倍的靈敏度，大棚采集氣象數(shù)據(jù)間斷性采集對時間要求不高，故采用0.5lx分辨率；U3是DHT11溫濕度傳感器，其中第2腳具有AD轉(zhuǎn)換功能，用于檢測大棚溫濕度濃度，上電初始化時需要一秒后才能開始采集。當(dāng)手機APP端發(fā)送開始采集后，STC15W4K56S4單片機向DHT11傳感器發(fā)送采集信號，模式由低功耗變成高速，直到接收到主機開始信號結(jié)束后，此時仍然需要等40us以后才能夠讀取DHT11的響應(yīng)信號。U4是BMP180氣壓傳感器，引腳3和4分別接P5.2和5.3接口，SDA依據(jù)SCL產(chǎn)生起始與終止信號。U5是ESP8266-01模塊通過Wi-Fi解決方案使手機端能夠獲取設(shè)備儀器經(jīng)過傳感器采集的大棚氣象數(shù)據(jù)，電源連接3.3V共有8個引腳，UTXD和URXD外接單片機P1.0、P1.1接口實現(xiàn)。因為802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率為2400到2484MHz可分為1-14個信道，為了防止信干擾，相鄰的設(shè)備儀器采用的信道間隔2個信道。同時，為了降低功耗，系統(tǒng)在不采集工作時候，ESP8266進(jìn)入休眠模式直到下次需要時候自動喚醒[12]。U6是激光傳感器模塊，大棚空氣顆粒物進(jìn)入激光束區(qū)域里，根據(jù)米氏理論算法計算出顆粒物濃度傳送數(shù)據(jù)至單片機P5.1口，顆粒濃度增大的時候，采集間隔需要減小[13]。

3 軟件設(shè)計

設(shè)備上電后，開始初始化傳感器模塊和Wi-Fi模塊，傳感器采集的數(shù)據(jù)通過IO口傳輸至單片機里。系統(tǒng)采集流程圖如圖3所示：大棚里的氣壓、光照等氣象數(shù)據(jù)通過單片機算法校正后得到溫度、壓力與光照值通過Wi-Fi傳送至手機端。手機端分為設(shè)置預(yù)警、實時數(shù)據(jù)、用戶歷史數(shù)據(jù)三個功能模塊。大棚氣象檢測儀APP是基于Android平臺4.3版本開發(fā)來的，它不僅能夠兼容Android 4.3還能夠兼容后面新的Android版本。Java采用Java 1.8版本，Eclipse開發(fā)工具來搭建開發(fā)環(huán)境，使用MySql開源數(shù)據(jù)庫存儲手機端的氣象數(shù)據(jù)。硬件部分采用keil IDE開發(fā)工具，C語言程序設(shè)計的開發(fā)語言實現(xiàn)硬件的開發(fā)。之后用戶通過手機應(yīng)用軟件查看大棚氣象數(shù)據(jù)。Wi-Fi通信如圖4所示，初始化ESP8266之后配置串口AT指令集如工作模式AP+STATION、熱點名字與密碼，建立TCP服務(wù)器連接等，之后再通過單片機的串口發(fā)送聯(lián)機指令U2SendString(str1)、U2SendString(str2)、U2SendString(str3)...。 設(shè)置發(fā)送每個指令間都需要延時500毫秒。AT部分指令集如下所示：

圖2：部分硬件電路

圖3：系統(tǒng)采集流程圖

圖4：單片機Wi-Fi通信流程圖

圖5：連接氣象檢測儀

圖6：設(shè)置氣象預(yù)警

圖7：氣象預(yù)警通知

圖8：實時檢測效果

4 結(jié)果測試

大棚檢測儀能夠采集大棚里的空氣溫濕度、PM2.5、氣壓光照等氣象數(shù)據(jù)，本APP適用安卓系統(tǒng)4.3及以上。使用前，登錄大棚氣象檢測儀手機客戶端后需要先設(shè)置相應(yīng)的IP值與端口號來連接檢測儀的Wi-Fi如圖5所示。當(dāng)連接成功后，手機APP將會接收單片機STC15W4K56S4經(jīng)過Wi-Fi模塊發(fā)送傳感器采集大棚氣象數(shù)據(jù)。圖6是手機端設(shè)置氣象預(yù)警值，光照與溫濕度與空氣粉塵濃度的上限和下限值。之后點擊確定，系統(tǒng)就開始執(zhí)行監(jiān)控功能。一旦氣象數(shù)據(jù)超出我們設(shè)置的預(yù)警值時，用戶手機界面將觸發(fā)時間、觸發(fā)的值等相關(guān)氣象數(shù)據(jù)保存并預(yù)警，促使用戶采取措施處理，系統(tǒng)將會發(fā)送通知如圖7為界面所示；圖8為大棚環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測圖，當(dāng)我們在手機端打開采集開關(guān)按鈕時，系統(tǒng)將顯示相應(yīng)大棚里面的粉塵濃度、光照、大氣壓、溫度、濕度實時檢測值，如1號大棚所示。當(dāng)我們不需要采集某個大棚時，我們可以關(guān)閉數(shù)據(jù)采集，這時候氣象數(shù)據(jù)也不在顯示具體值，如2號大棚所示，如果需要采集時候，只需要點擊開始按鈕就能夠采集。通過手機端使管理員能夠低成本的監(jiān)控農(nóng)作物的氣象環(huán)境，達(dá)到不需要去農(nóng)田也能監(jiān)控農(nóng)作物。

5 結(jié)語

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安卓平臺相結(jié)合，實現(xiàn)大棚的氣象數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控與記錄在手機端。一旦大棚里出現(xiàn)不適合農(nóng)作物的氣候時，用戶通過手機APP的預(yù)警通知，能夠及時做出應(yīng)對方案，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。本設(shè)備儀器采用的低功耗的單片機芯片與低成本的傳感器使該儀器設(shè)備的系統(tǒng)軟硬件成本低廉，無線自動采集且自動預(yù)警使一人可以監(jiān)控整個農(nóng)場的農(nóng)作物，具有一定的應(yīng)用價值。所不足之的地方是還沒有開發(fā)蘋果手機端應(yīng)用場景，而且蘋果的用戶也比較多，仍然需要進(jìn)一步完善。