基于Wi-Fi的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

羅長英,林仰洪,廖明華

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510650)

隨著信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合越來越緊密，智慧農(nóng)業(yè)在實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、智能化、自動化等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中是目前的發(fā)展趨勢，智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的植物生長環(huán)境中的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)進行傳輸、加工和利用，可以為作物生長中的各個階段提供精準的管理和預測、預警等方面的信息支持，解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)傳輸距離近和高能耗的問題[2]?；赪i-Fi的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)進行研發(fā)，選用ESP32作為控制系統(tǒng)的核心，通過對影響農(nóng)作物生長的空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)進行實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi實時上傳到云平臺，用戶可通過手機APP及PC端軟件實時監(jiān)測分析作物生長的環(huán)境數(shù)據(jù)，及時下發(fā)控制命令，達到改善農(nóng)作物生長環(huán)境，實現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。

1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)整體設計

基于Wi-Fi的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行研發(fā)，系統(tǒng)主要包括ESP32主控模塊、傳感器感知模塊、OLED顯示模塊、命令執(zhí)行模塊、應用軟件模塊等，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。MCU選用ESP32作為控制系統(tǒng)的核心，電源供電采用12 V直流電源，電源模塊實現(xiàn)輸出3.3 V和5 V，給MCU和模塊供電。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)開啟后，根據(jù)預設的Wi-Fi賬號和密碼，接入本地的無線Wi-Fi網(wǎng)絡，網(wǎng)絡連接成功后開始正常工作。傳感器感知模塊實時采集農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，并進行A/D轉(zhuǎn)換輸出成數(shù)字信號。ESP32主控模塊不斷讀取傳感器感知模塊輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過解析后顯示在OLED顯示屏上；并通過無線Wi-Fi網(wǎng)絡上傳至OneNET云平臺。應用軟件模塊手機端和PC端可實時獲取OneNET云平臺上的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測與預警，隨時可查看相關(guān)數(shù)據(jù)，進行智能化數(shù)據(jù)分析處理，從而下發(fā)開燈或澆水等控制命令至命令執(zhí)行模塊執(zhí)行，從而達到遠程監(jiān)控、改善農(nóng)作物生長環(huán)境的目的。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ESP32主控模塊

由于ESP32具有性能穩(wěn)定、高度集成、超低功耗等特點，能出色地完成數(shù)據(jù)的分析處理，ESP32系列包括芯片ESP32-D0WDQ6(和ESP32-D0WD)、ESP32-D2WD、ESP32-S0WD和封裝系統(tǒng)(SiP)ESP32-PICO-D4。其核心是雙核或單核Tensilica Xtensa LX6微處理器，時鐘速率高達240 MHz。故本智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)選用ESP32作為主控芯片。同時ESP32通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供Wi-Fi功能，可以實現(xiàn)通過Wi-Fi上傳農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)至云平臺，因此ESP32在本系統(tǒng)中也充當通信芯片的功能。

在本設計中，ESP32處理器從27管腳采集DHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)實時顯示到SDA接13管腳，SCL接14管腳的顯示屏上，再將數(shù)據(jù)通過連接在2管腳的Wi-Fi模塊上傳到One NET云平臺。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

傳感器作為一種傳輸技術(shù)，利用有效數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)變并利用技術(shù)等一系列復雜的處理過程來滿足客戶的要求，有助于自動化應用的程序[4]。本監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器主要采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器應用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有性能可靠、長期穩(wěn)定的特點。此外，該傳感器體積小、功耗極低，且信號傳輸距離遠，適用于較為苛刻的環(huán)境。土壤濕度傳感器接在傳感器接口2,ADC 使用內(nèi)部11DB衰減器，將量程增至0～3.3V,使用12 bit精度，即最大值為 2^12-1=4095。然后根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)將檢測到的數(shù)值0～4095分成三段，分別代表土壤干燥、中等、濕潤。

土壤濕度傳感器主要用來檢測泥土的濕度，可應用于自動灌溉，當土壤干枯時，可給農(nóng)作物澆水。土壤濕度傳感器的功能參數(shù)如表 1所示。

表1 土壤濕度傳感器功能參數(shù)

由表可知土壤濕度傳感器的輸出信號在0～3.3 V之間，當輸出電壓越接近0 V時土壤越干燥，越接近3.3 V時土壤越潮濕。

2.3 光敏傳感器

光敏傳感器實際上是一個可以檢測光照強度的傳感器，可以應用于日常生活中植物光照強度、室內(nèi)光線檢測，以及某些場合的亮度檢測。傳感器的原理就是將外界模擬變化的信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(電壓值)讓單片機識別出來，處理方式就是常用的 ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)。

光敏傳感器采用ADC將外界光照強度變化的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的電壓值變化，與土壤濕度傳感器類似，輸出的模擬信號范圍為0～3.3 V，接近0 V時光線最強，接近3.3 V時光線最弱。

2.4 OLED顯示模塊

OLED顯示屏功耗小、成本低且反應快，具有較高的分辨率。通過設備之間通信的雙線協(xié)議I2C接口,OLED顯示模塊與ESP32主控模塊連接并通信[3]，用戶可以通過OLED顯示屏獲取當前農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度、土壤濕度等數(shù)據(jù)。

2.5 命令執(zhí)行模塊

命令執(zhí)行模塊主要包括了舵機、燈泡和直流微型水泵，用以執(zhí)行通風、光照、灌溉等命令從而實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的有效改善。當農(nóng)作物的生長環(huán)境中氣溫較高時，控制舵機開窗進行通風；當白天光照強度較低時，控制開燈以增加光照強度；而當土壤較為干枯時，控制水泵進行澆水。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ESP32平臺

本系統(tǒng)的程序采用MicroPython編寫，程序流程如圖2所示。系統(tǒng)接通電源后開始初始化，ESP32根據(jù)預設的賬號和密碼連接到Wi-Fi網(wǎng)絡，若15秒內(nèi)連接不成功，則OLED屏上顯示“Wi-Fi Connected Timeout!”并停止運行程序。若Wi-Fi連接成功，則ESP32接收并解析各個傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，并通過Wi-Fi網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺，同時在OLED顯示屏上顯示。手機APP和PC端上位機又與云平臺實現(xiàn)互通，從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，達到可視化監(jiān)測和下發(fā)控制命令的目的。

圖2 系統(tǒng)總體流程圖

3.2 手機端APP

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)手機端APP采用Android Studio進行開發(fā)設計。用戶注冊、登錄后方可使用本系統(tǒng)，可實現(xiàn)實時監(jiān)控、下發(fā)命令等功能。手機APP通過OneNET云平臺獲取溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，用戶可通過手機APP查看監(jiān)控系統(tǒng)實時獲取到的數(shù)據(jù)并進行判斷，手動下發(fā)命令，控制水泵、舵機或者燈泡工作，實施灌溉、通風、光照等操作。

3.3 PC端上位機

PC端上位機采用C#語言設計，通過連接OneNET云平臺獲取農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)加以處理并通過文本和波形圖的形式展示。用戶可根據(jù)實際情況手動下發(fā)控制開燈、開窗通風、澆水等命令；也可采用自動模式，提前設定預警值，當達到預警值時系統(tǒng)自動下發(fā)命令，可減少人力投入，更加精準地改善農(nóng)作物的生長環(huán)境。用戶的賬號信息、采集的環(huán)境數(shù)據(jù)可保存在本地的SQL Server數(shù)據(jù)庫中，通過后臺可查看歷史數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試與應用

軟硬件調(diào)試完成后，傳感器終端在Wi-Fi網(wǎng)絡下將采集到的數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，通過瀏覽器登錄云平臺系統(tǒng)，進行配置部署，配置流程圖如圖 3所示。

用戶可以根據(jù)系統(tǒng)設計的對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)采集的要求，設置對應的數(shù)據(jù)流，本設備設置的數(shù)據(jù)流面板如圖4所示。配置完成后，傳感器所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過Wi-Fi網(wǎng)絡的傳輸可以在云平臺上面進行展示。此外，用戶也可通過手機端APP或PC端上位機實時查看監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)做出相應的策略和措施,下發(fā)相應的控制命令，以保證農(nóng)作物具有良好的生長環(huán)境。PC端上位機主界面如圖5所示。

圖3 云平臺配置流程圖

圖4 數(shù)據(jù)流面板

圖5 PC端上位機主界面

5 結(jié)束語

隨著“云平臺”和“大數(shù)據(jù)”逐步融入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，中國農(nóng)業(yè)也開始走向智慧化[5]。基于Wi-Fi的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)依靠現(xiàn)代化的信息技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控與遠程控制，包括實現(xiàn)實時監(jiān)控農(nóng)作物生長環(huán)境中的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)加以分析并做出決策，從而實現(xiàn)控制下發(fā)命令進行灌溉、通風、光照等操作,具有智能化、自動化的特點。本系統(tǒng)使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效，可降低生產(chǎn)成本，節(jié)約人力資源，具有一定的實用價值。