基于Arduino 與Blinker 云平臺的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控及自動灌溉系統(tǒng)設計

黃業(yè)源，李守曉

（天津農(nóng)學院 計算機與信息工程學院，天津 300384）

0 引 言

隨著嵌入式技術(shù)的更新?lián)Q代，系統(tǒng)設計和可實現(xiàn)的功能越來越多，單一進行環(huán)境數(shù)據(jù)測量的大棚監(jiān)測設計已經(jīng)不能滿足實際應用需求，需要考慮設計更多的系統(tǒng)功能，如能遠程控制與上位機的展示和交互界面等[1-2]。近年來，隨著云計算、云存儲、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，通過手機端進行農(nóng)業(yè)苗情、墑情等數(shù)據(jù)展示與控制的優(yōu)勢日益凸顯[3-6]。因此，本文設計了單片機+Blinker 云端+手機APP 的智能大棚環(huán)境監(jiān)控及自動灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

本設計采用一塊Arduino UNO R3 單片機作為主控單元，ESP8266 WiFi 模塊作為數(shù)據(jù)傳輸單元，使用的傳感器有GY-30 光照強度傳感器、DHT11 空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器；外圍設備有繼電器、風扇和水泵。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

在用戶端的手機APP 界面，有6 個數(shù)據(jù)展示控件，分別展示了空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、需水量和需肥量的實時數(shù)據(jù)；2 個按鈕控件，分別控制水泵進行水肥抽取灌溉和控制風扇進行降溫。

2 硬件設計

2.1 Arduino 單片機

Arduino UNO R3 是一款基于ATmega328P 的微控制器板[7]。它有14 個數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個可用作PWM 輸出），用于連接數(shù)字輸入/輸出設備，如LED、開關、傳感器等；5 個電源引腳，用于連接電源，包括GND、5 V、3.3 V、Vin 和RESET；6 個模擬輸入，用于連接模擬輸入設備，如溫度傳感器、壓力傳感器等；1 個串口引腳，用于連接串口設備，如調(diào)試器等；2 個I2C 引腳，用于連接I2C 設備，如I2C LCD、I2C E2PROM 等；1 個SPI 引腳，用于連接SPI設備，如SD 卡模塊等。Arduino UNO R3 還可以使用各種擴展板（如傳感器板、通信模塊等）來擴展其功能，可以通過連接擴展板方便地進行物聯(lián)網(wǎng)、機器人和自動化等應用領域系統(tǒng)的開發(fā)。

2.2 ESP8266 WiFi 模塊

本設計使用的是ESP826612-E NodeMCU Lua V3開發(fā)板作為傳輸核心模塊，這是一種基于ESP8266 芯片的開發(fā)板，支持Lua 腳本語言，支持WiFi 連接，可以用于開發(fā)各種無線應用。另外它還支持多種常見的傳感器，例如DHT11/DHT22 溫濕度傳感器、DS18B20 溫度傳感器等。ESP8266 NodeMCU Lua V3 開發(fā)板的主要參數(shù)如下：

（1） 處理器存儲器：Tensilica L106 32 位RISC 處理器，處理器主頻最高80 MHz，存儲器4 MB 閃存；

（2）WiFi 模塊：IEEE 802.11 b/g/n（2.4 GHz）；

（3）GPIO 引腳：共17 個，其中GPIO6-11 為ESP8266的SDIO 接口，可用于連接相關SPI 設備；

（4）安全支持：WEP、WPA/WPA2 PSK/Enterprise；

（5）開發(fā)環(huán)境：支持Lua 腳本語言、Arduino IDE 等；

（6）ADC 輸入：最多支持1 個通道（0 ～3.3 V 輸入范圍）；

（7）USB 接口：用于串口調(diào)試和電源供應（5 V DC）。

與其他版本的ESP8266 相比，它具有以下特點：內(nèi)置4 MB 閃存，共有17 個GPIO，其中GPIO 6 ～11 可用于連接SPI 設備，支持深度睡眠模式，可以實現(xiàn)低功耗應用；新增Reset 和FLASH 按鈕，可方便地對開發(fā)板進行復位和燒錄操作。ESP8266 各項參數(shù)見表1 所列。

表1 ESP8266 各項參數(shù)

2.3 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采用了數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，是一種能夠輸出已經(jīng)過校準的數(shù)字信號的溫濕度復合傳感器[8]。DHT11 各項參數(shù)見表2 所列。

表2 DHT11 參數(shù)

2.4 GY-30 光照強度傳感器

GY-30 是一款內(nèi)置ROHM-BH1750FLV 芯片的數(shù)字光照強度傳感器模塊，可以用于測量室內(nèi)室外環(huán)境光照強度。它使用BH1750FVI 芯片作為光敏元件，采用SMD 封裝，小巧輕便；其采用低功耗設計，適用于電池供電設備，具有高精度和快速響應等特點，廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測等領域。GY-30測量范圍在0 ～65 535 lx 之間，分辨率為1 lx，精度為±20%，工作溫度為-40 ～85 ℃，通信接口使用I2C。

2.5 土壤濕度傳感器

Moisture Sensor土壤濕度傳感器是一種可用于檢測土壤水分的傳感器。傳感器輸出值隨著土壤濕度減小而減小。該傳感器的土壤探測頭部分采用鍍金處理，不僅可以延長使用壽命，還能獲得更高的精度[9]。

2.6 水泵、繼電器及風扇

水泵使用5 V 小功率潛水式水泵，型號JT-DC3W-3，驅(qū)動方式為繼電器驅(qū)動，工作電壓為DC 2.5 ～5.5 V，工作電流為120 mA，運行功率為0.36 W，揚程高度為0.35 m，水流量為80 L/h。

控制風扇的繼電器使用松樂SRD-05VDC-SL-C；控制水泵的繼電器使用宏發(fā)HF46F。風扇使用常見的直流小馬達加上扇葉模擬。

3 軟件設計

3.1 點燈Blinker 云平臺設置

首先注冊并進入點燈Blinker 手機APP，在主界面的右上角點擊“+”號，選擇要接入的設備，這里選擇獨立設備，在藍牙接入和網(wǎng)絡接入選項中選擇網(wǎng)絡接入。選擇網(wǎng)絡接入后，會出現(xiàn)一串密鑰，將該密鑰寫入ESP8266 程序中即可。創(chuàng)建完成后，主界面會出現(xiàn)新的設備；點擊后，即可添加文字、按鍵、數(shù)據(jù)等控件，開始搭建展示頁面。其中需進行如下2 組設置，實現(xiàn)相應功能。

（1）4 個測量數(shù)據(jù)設置：以溫度數(shù)據(jù)展示為例，點擊數(shù)據(jù)控件：選擇樣式，填寫組件名，與燒錄到ESP8266 的程序值相對應，否則無法正確顯示數(shù)據(jù)。顯示文本填寫空氣溫度，數(shù)據(jù)單位填寫℃，最大值可根據(jù)需要設定，實數(shù)據(jù)勾選，完成溫度數(shù)據(jù)展示。按照同樣的操作繼續(xù)設置空氣濕度、土壤濕度、光照強度、需水量和需肥量的組件值后，完成界面展示。

（2）2 個按鈕設置：以澆水控件為例，在控件列表中找到按鈕控件，選擇樣式，填寫組件鍵名，將按鍵類型設置為開關按鍵，填寫顯示文本。按照同樣的步驟配置風扇開關按鈕。

3.2 代碼編寫

3.2.1 Arduino 程序編寫

軟件編程環(huán)境選擇Arduino IDE 1.8.16[10]。Arduino 單片機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP8266，最終通過WiFi 模塊傳給云平臺。溫濕度采集的實現(xiàn)需要用到包含溫濕度采集的庫文件。庫文件中包含了溫濕度傳感器相關的函數(shù)。其中VCC 接3.3 V，GND 接地，DATA 接在Arduino 數(shù)字端口。土壤濕度數(shù)據(jù)獲取是通過Arduino 的模擬輸入引腳讀取數(shù)值。DATA 數(shù)據(jù)線接A3 口。光照強度數(shù)據(jù)需要通過Arduino 的I2C 通信接口獲取，首先定義ADDR為寄存器的地址引腳，其接地時器件地址為0100011，SDA數(shù)據(jù)線接在A4 端口，SCL 時鐘線接在A5 口。軟件系統(tǒng)的總體流程如圖2 所示。

圖2 軟件流程

3.2.2 ESP8266 Node MCU 程序編寫

ESP8266 與Arduino 的串口通信容易實現(xiàn)并且通信較穩(wěn)定。在Arduino IDE 環(huán)境下給ESP8266 WiFi 模塊寫入程序時，需根據(jù)實際使用的硬件在工具中選擇對應開發(fā)板，同時要下載庫，并加上“#define BLINKER_WIFI”定義，將Blinker 初始化/選擇連接方式，即選擇WiFi 連接。如果使用藍牙，則是“#define BLINKER_BLE”。下一步寫入密鑰、WiFi 名稱和WiFi 密碼信息，如圖3 所示，并在“set up”函數(shù)里寫入“Blinker.begin（auth, ssid, pswd）”。

圖3 ESP8266 程序編寫

接下來進行新建對象和組件的綁定，常用的有數(shù)據(jù)、按鈕、滑動條、數(shù)字和文本控件等。根據(jù)APP 具體添加的組件，在程序中進行綁定，所有綁定的組件都需要回調(diào)，以按鈕控件為例“Button.attach（button_callback）”，如綁定數(shù)據(jù)控件則需定義相應的“BlinkerNumber NUM（“NUM_name”）”，將數(shù)字的值賦給數(shù)據(jù)控件，即可完成數(shù)據(jù)展示。在本設計中綁定了“temp”“humi”“l(fā)ig”和“soil”四個數(shù)字，分別存儲溫度、濕度、光照強度和土壤濕度數(shù)據(jù)并賦值給相應數(shù)據(jù)控件。綁定按鈕按鍵程序為“BlinkerButton Button（"key"）”，其中“key”為APP 中按鈕的鍵名。本設計綁定了兩個按鈕，通過繼電器分別控制水泵和風扇。綁定并注冊組件后，需要添加組件操作函數(shù)，具體如圖4 所示。至此，ESP8266 WiFi模塊的程序編寫完成，可以實現(xiàn)與APP 相關數(shù)據(jù)通信和農(nóng)業(yè)大棚實時遠程控制。

圖4 組件操作部分

4 軟件設計

為測試系統(tǒng)的可靠性，在溫室大棚內(nèi)進行驗證。將上述程序燒錄進Arduino 控制板后，對大棚內(nèi)的環(huán)境條件進行測量，如圖5 所示。系統(tǒng)分為手動和自動模式。當溫度超過設定閾值時，風扇自動打開，當土壤濕度低于設定值時，自動進行灌溉。同時，可以直接手動進行灌溉和開啟風扇。經(jīng)過多次實驗測試與改進后，系統(tǒng)的可靠性有了一定保障，可以在APP 端遠程查看大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)，同時可以遠程操作控制相關的農(nóng)業(yè)設備工作，基本能夠滿足溫室大棚的需求。

圖5 手機APP 主界面

5 結(jié) 語

本文將Arduino單片機與Blinker云平臺相結(jié)合并應用于溫室大棚遠程監(jiān)控，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)采集與無線傳輸，并通過手機端APP 對農(nóng)業(yè)大棚作業(yè)現(xiàn)場進行遠程控制；同時利用Blinker 云平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的云存儲。在科學技術(shù)助力鄉(xiāng)村振興背景下，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用提供新的研究思路，具有一定的推廣價值。