基于Arduino+Blinker 云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 瑩，李景景，代志豪

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正迅速崛起，為各行各業(yè)生產(chǎn)提供了新的可能性和機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集到生產(chǎn)過(guò)程智能化控制的跨越式發(fā)展［1］。 本設(shè)計(jì)是基于Arduino+Blinker 云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)大棚監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與整合并且上傳到云端的功能，設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是以ESP32-WROVER 模塊為主控，進(jìn)行組網(wǎng)和控制，采用Blinker 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的采集上傳、手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。 環(huán)境參數(shù)的采集主要包括大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度。 使用ESP32-CAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)的在線傳輸，用戶可在手機(jī)APP 上實(shí)時(shí)查看［2-3］。 本設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單可靠、開(kāi)發(fā)周期短、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，解決了小規(guī)模農(nóng)戶對(duì)大棚的使用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)大棚設(shè)計(jì)以樂(lè)鑫公司出品的ESP32-WROVER物聯(lián)網(wǎng)最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用光照強(qiáng)度傳感器模塊、CO2傳感器模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、環(huán)境溫濕度模塊、土壤溫濕度模塊、光照強(qiáng)度模塊等作為大棚環(huán)境參數(shù)檢測(cè)模塊，采用四路繼電器、OLED 顯示模塊、蜂鳴器模塊作為輸出控制顯示模塊。 電源模塊采用12 V 主電源分別轉(zhuǎn)5 V、3.3 V向各個(gè)模塊進(jìn)行供電。 本設(shè)計(jì)將各模塊采集的大棚環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)打包，通過(guò)MQTT 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議上傳到Blinker 物聯(lián)網(wǎng)云端，同時(shí)使用點(diǎn)燈科技的手機(jī)APP，根據(jù)用戶需求配置理想的UI 界面，通過(guò)獨(dú)立模塊ESP32-CAM 實(shí)時(shí)查看大棚環(huán)境參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

目前在市場(chǎng)上比較傳統(tǒng)的MCU 微控制芯片有國(guó)產(chǎn)宏晶公司出品的STC51 系列、意法半導(dǎo)體公司的STM32 系列、TI 公司出品的MSP40 系列、飛思卡爾公司的MC9S12，在傳統(tǒng)的微控制領(lǐng)域已經(jīng)很成熟，但在物聯(lián)網(wǎng)方面的開(kāi)發(fā)比較繁瑣，需要搭載其他物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能，開(kāi)發(fā)過(guò)程較麻煩，產(chǎn)品的成本較高，對(duì)開(kāi)發(fā)者技術(shù)水平要求較高［4］。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)到云端的收發(fā)，有較多的IO 口需求，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及處理能力要求較高，故采用ESP32-WROVER 作為物聯(lián)網(wǎng)最小系統(tǒng)，因其具有出色的穩(wěn)定性、節(jié)能特性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，既可以單?dú)執(zhí)行應(yīng)用程序，也可以與其他MCU 相連，還支持SPI／SDIO、I2C／UART 接口，提供WiFi 服務(wù)。

2.2 溫濕度檢測(cè)模塊

大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)的采集使用價(jià)格便宜、工作性能穩(wěn)定的DHT11 溫濕度模塊。 DHT11 傳感器僅僅需要一個(gè)I／O口就能夠使用極其簡(jiǎn)單的單總線協(xié)議與單片機(jī)之間進(jìn)行通信。 40 位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)通過(guò)通信引腳一次性傳輸給主控模塊，在40 位數(shù)據(jù)中有32 位是環(huán)境數(shù)據(jù)，有8 位數(shù)據(jù)用于檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)的有效性，將32 位數(shù)據(jù)以8 位相加的方式，判斷是否等于校驗(yàn)位，驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否有誤。 在5 V 電源電壓下，DHT11 工作時(shí)功耗低，工作平均最大電流為0.5 mA。DHT11 的引腳從上至下分別是VCC、IO、NULL、GND，其中VCC 連接3.3 V 電壓，IO 口不需其他冗余功能，可隨時(shí)更改輸入輸出模式，DATA 引腳連接單片機(jī)IO32 口，NULL 引腳不需要連接，GND 連接電源的負(fù)極。

2.3 CO2 檢測(cè)模塊

SGP30 模塊用于實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)CO2濃度檢測(cè)。 SGP30是一款單一芯片，內(nèi)集成4 個(gè)氣體傳感元件，具有完全校準(zhǔn)的空氣質(zhì)量輸出信號(hào)，主要用于甲醛的檢測(cè)和二氧化碳的檢測(cè)，可以輸出CO2濃度等數(shù)據(jù)，以此判斷空氣質(zhì)量。SGP30 采用微機(jī)電系統(tǒng)制造工藝（micro-electro-mechanical systems， MEMS）技術(shù)來(lái)檢測(cè)金屬氧化物（MOx）納米顆粒的溫度。 當(dāng)MOx表面的氧原子和其他元素結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種特殊的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)該反應(yīng)來(lái)檢測(cè)MOx表面的溫度。 當(dāng)還原性氣體存在時(shí)，會(huì)使氣敏材料的表層氧含量顯著下降，從而影響其電阻或電導(dǎo)率，利用ASIC 數(shù)字高程模擬技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控、處理和傳輸這些數(shù)據(jù)，從而得知待測(cè)氣體含量［5］。

CO2濃度檢測(cè)模塊通過(guò)集成電路總線（inter-integrated circuit， IIC）通信協(xié)議與主控模塊進(jìn)行通信，主控模塊接受采集的16 位數(shù)據(jù)格式的CO2濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)主控模塊對(duì)數(shù)據(jù)的整合最終輸出精確度為兩位的濃度值。 穿行時(shí)鐘SCL 引腳接ESP32-WROVER 模塊的IO14，串行地址和數(shù)據(jù)輸入引腳SDA 接主控模塊的IO13，GND 和VCC 引腳分別接系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)的3.3 V 電源和GND。

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用型號(hào)為SH1106 的1.3 寸OLED 屏幕，可呈現(xiàn)128×64 個(gè)像素，采用IIC 通信方式。 OLED 具備許多優(yōu)勢(shì)，無(wú)須像傳統(tǒng)的LCD 屏幕那樣需要背光層和控制輸入輸出的液晶層，而是通過(guò)內(nèi)置的無(wú)數(shù)個(gè)微型LED 燈來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)光，其外觀更加精致，而且具備更好的分辨率、更強(qiáng)的亮度和更小的重量。

模塊中SDA 連接主控模塊的IO21 引腳，用于數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)，SCL 連接主控模塊的IO22，用于同步時(shí)鐘的接收。 模塊的程序開(kāi)發(fā)使用GitHub 平臺(tái)開(kāi)源的u8g2 集成庫(kù)，可以調(diào)用u8g2 的中文字庫(kù)來(lái)顯示漢字，并且可以設(shè)置字體的樣式，在系統(tǒng)中主要顯示溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等信息。

2.5 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光照強(qiáng)度采用LM393 比較器，將大棚內(nèi)光照強(qiáng)度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，原理簡(jiǎn)單，占用主控模塊IO 接口資源較少。光照強(qiáng)度模塊同土壤濕度模塊的工作方式相似，將土壤濕度的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)過(guò)AD 采集轉(zhuǎn)換成確切值。

通過(guò)ESP32 主控模塊的ADC 檢測(cè)功能，采集光敏電阻兩端的電壓。 光敏電阻的特性是對(duì)光線十分敏感，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，隨之光敏電阻兩端的電壓也會(huì)發(fā)生變化，即隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低。

2.6 繼電器模塊

采用型號(hào)為SRA-05VDC-CL 的四路光耦隔離性繼電器模塊，使用5 V 工作電壓，具有體積小、PCB 焊接方便、10 A／20 A 多種負(fù)載選擇、環(huán)境溫度可滿足-40 ℃／+85 ℃等特點(diǎn)。 其中二極管為瞬態(tài)抑制性二極管，型號(hào)為SMAJ28，反向截止電壓為28 V，擊穿電壓為31 V，當(dāng)繼電器狀態(tài)進(jìn)行切換時(shí)，繼電器內(nèi)部的儲(chǔ)能器件會(huì)對(duì)三極管放電，二極管將繼電器儲(chǔ)存的能量對(duì)地泄放，用于保護(hù)三極管，以保證整體電路性能安全穩(wěn)定。

2.7 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊采用無(wú)源蜂鳴器，低電平觸發(fā)方式。 主要由一個(gè)三極管和一個(gè)無(wú)源蜂鳴器構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。 在系統(tǒng)中主控模塊通過(guò)IO18 口向模塊輸入一定頻率PWM 波，使蜂鳴器發(fā)出響聲。

2.8 按鍵模塊

按鍵模塊用于OLED 界面的切換和工作模式的設(shè)置。電路采用3.3 V 供電，具有按鍵的硬件消抖功能，當(dāng)按鍵按下IO36 被拉低，主控芯片會(huì)檢測(cè)到低電平。

2.9 電源模塊

DC 電源插座模塊是系統(tǒng)供電電源的前級(jí)電路，具有過(guò)流保護(hù)、防反接保護(hù)和濾波的功能。 過(guò)流保護(hù)功能通過(guò)電阻絲F1 實(shí)現(xiàn)，額定電壓為35 V，封裝采用1206貼片電阻絲。 電路防反接功能通過(guò)瞬態(tài)抑制性二極管SMAJ28 實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電路反接時(shí)直接對(duì)電源地導(dǎo)通，用于保護(hù)后級(jí)的電路，SMAJ28 的反向截止電壓為28 V，擊穿電壓為31 V。

其中5 V 電源主要用于繼電器、ESP32-CAM 的供電電路。 將LM2596 S 芯片作為12 V 轉(zhuǎn)5 V 模塊電路的電源管理芯片。 3.3 V 電源主要用于OLED 模塊、溫濕度模塊、蜂鳴器模塊、SGP30 模塊、光照強(qiáng)度模塊，由于12 V 轉(zhuǎn)5 V 的模塊電路不易直接轉(zhuǎn)換成3.3 V，存在較大的誤差，故采用5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 的輔助電源模塊，將AMS1117-3.3作為電源芯片，具有優(yōu)異功能的三端穩(wěn)壓器，其中PNP 驅(qū)動(dòng)的NPN 管可以有效控制電流，從而提供更好的電源供應(yīng)。 AMS1117 的輸入與輸出均配備了一個(gè)高效的濾波器，從而提供較高的精度，確保系統(tǒng)的可靠性。

2.10 ESP32-CAM 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控采用ESP32-CAM 小尺寸攝像頭模組，可作為最小系統(tǒng)獨(dú)立工作，深度睡眠電流最低達(dá)到6 mA。 ESP-32CAM 采用DIP 封裝，可直接插上底板使用，并支持多種接口，如UART／SPI／I2C／PWM／ADC／DAC 等。 該模塊采用低功耗雙核32 位CPU，主頻高達(dá)240 MHz，內(nèi)置520 KB SRAM，外置8 MB PSRAM，支持OV2640 和OV7670 攝像頭，內(nèi)置閃光燈，支持圖片WiFi上傳和TF 卡，是物聯(lián)網(wǎng)大棚系統(tǒng)應(yīng)用的理想解決方案［6］。

ESP-CAM 作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸模塊，主要作用是遠(yuǎn)程監(jiān)控大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，將環(huán)境參數(shù)通過(guò)WiFi 上傳到blinker 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，用戶可以在手機(jī)APP 上遠(yuǎn)程查看大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

主控模塊ESP32-WROVER 對(duì)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)出指令控制繼電器和蜂鳴器，將狀態(tài)信息和環(huán)境信息整合上傳到Blinker 云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 的顯示與控制。 軟件部分設(shè)計(jì)采用遠(yuǎn)程手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種工作模式，通過(guò)按鍵可以切換模式。 遠(yuǎn)程手動(dòng)模式通過(guò)手機(jī)APP 界面操作按鍵UI 組件控制繼電器的開(kāi)合。 自動(dòng)模式由系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的數(shù)值，當(dāng)數(shù)值超過(guò)設(shè)置的閾值范圍時(shí)，繼電器吸合，蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警，用戶可通過(guò)APP 設(shè)置閾值參數(shù)的大小。 程序整體設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 程序整體設(shè)計(jì)流程

3.1 Blinker 接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)與APP 建立連接的程序設(shè)計(jì)過(guò)程是調(diào)用Blinker-library 庫(kù)，用戶在例程中對(duì)應(yīng)代碼位置填入WiFi名、WiFi 密碼、設(shè)備密鑰就可以完成連接Blinker 云平臺(tái)的基本配置。 系統(tǒng)與APP 建立連接的流程如圖3 所示。

圖3 建立連接流程

3.2 數(shù)據(jù)上傳接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳接口首先聲明一個(gè)數(shù)據(jù)上傳組件函數(shù)和數(shù)據(jù)上傳組件名，組件函數(shù)在系統(tǒng)初始化中運(yùn)行，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)與組件名進(jìn)行綁定，然后聲明一個(gè)“心跳包”的回調(diào)函數(shù)，并且在初始化程序中調(diào)用，Blinker 官方的“心跳包”函數(shù)上傳數(shù)據(jù)的速率為每30s 更新一次，上傳的數(shù)據(jù)格式為“組件名：數(shù)據(jù)＼n”，返回“mqtting”，用戶在手機(jī)APP 端自定義組件，將組件名與程序中的數(shù)據(jù)組件名對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從設(shè)備端到APP 的上傳。 系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)上傳流程圖

3.3 APP 數(shù)據(jù)下發(fā)接口設(shè)計(jì)

APP 數(shù)據(jù)下發(fā)接口首先聲明數(shù)據(jù)下發(fā)組件函數(shù)和數(shù)據(jù)下發(fā)組件名，組件函數(shù)在初始化程序中調(diào)用，并且注冊(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)下發(fā)組件的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)手機(jī)APP 向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入回調(diào)函數(shù)，然后執(zhí)行回調(diào)函數(shù)的程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下發(fā)的目的。 APP 數(shù)據(jù)下發(fā)接口程序流程如圖5 所示。

圖5 APP 數(shù)據(jù)下發(fā)接口程序流程

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)初始化、Blinker 建立連接初始化。 聯(lián)網(wǎng)成功則串口打印WiFiConnected 字樣顯示聯(lián)網(wǎng)成功，來(lái)獲取設(shè)備唯一的IP 地址，成功建立MQTT 連接。當(dāng)串口打印Connecting to MQTT 說(shuō)明已經(jīng)連接成功，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 串口初始化信息如圖6 所示，經(jīng)過(guò)串口的測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示組件每30s 上傳一次數(shù)據(jù)，上傳的數(shù)據(jù)格式為Json 格式，設(shè)備上傳的傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)備OLED 顯示的數(shù)據(jù)一致，當(dāng)手機(jī)APP 按鍵組件按下，串口打印“ON”或“OFF”，閾值設(shè)置串口打印對(duì)應(yīng)的閾值，實(shí)測(cè)閾值和打印閾值保持一致，Blinker APP 調(diào)試界面如圖7 所示。

圖6 串口初始化信息

圖7 Blinker APP 調(diào)試界面

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種工作狀態(tài)，以ESP32-WROVER 模塊為主控，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的功能，ESP32_CAM進(jìn)行視頻信息的在線傳輸，用戶通過(guò)使用Blinker 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的上傳和手機(jī)APP 的遠(yuǎn)程操作，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集上傳、手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，自動(dòng)模式下用戶可以用根據(jù)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境自定義環(huán)境參數(shù)閾值，能夠幫助用戶更好實(shí)現(xiàn)大棚物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)與管理，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。