基于Arduino和WiFi的溫室監控系統

陶冶

摘 要：文中系統融合Arduino單片機，溫度、濕度、光照強度等環境因素相關傳感器，ZigBee無線通信和手機APP，設計一種切實可行的溫室大棚環境監測系統。結合簡單易懂和高效合理的硬件設計，該系統總體結構簡單、成本低、效率高、運行可靠，具有非常好的應用前景。

關鍵詞：Arduino單片機;溫度;濕度;WiFi;ZigBee;APP監測

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

隨著現代農業科技的改革與發展，溫室大棚因其涉及范圍廣、科技含量高、與人們生活密切相關等，已成為各國農業飛速發展的必要條件。實現溫室大棚環境監測，實時監測大棚內溫濕度和光照等環境因素是否穩定，各環境因素是否在植物可接受范圍內[1]，最終達到植物生長所需的最佳環境因素。

本文系統將Arduino單片機、各類環境因素相關的傳感器、ZigBee無線通信和手機APP開發相融合[2]，設計一種切實可行的溫室大棚環境監測系統。該系統能夠符合不同地域的氣候特征，使得溫室大棚內的環境參數都能符合植物正常生長的條件，且總體結構簡單，便于應用。

1 系統總體方案

1.1 方案設計步驟

本文方案具體實施步驟如下：

（1）本文設計由溫度、濕度和光照強度傳感器、Arduino主控芯片、WiFi模塊、傳感器和手機APP組成，主要實現溫室大棚中溫濕度和光照信息采集、數據處理、數據傳輸及數據查看功能[3]。

（2）調試溫度、濕度和光照強度傳感器的讀值程序。

（3）使結果顯示在APP上，每隔500 ms便發送數據到ESP8266，數據以溫度|濕度|光照強度的方式傳送并顯示。

1.2 系統總體框圖

系統采用Arduino主控芯片，ESP8266串口WiFi，LM35溫度傳感器，HR202濕度傳感器和BH1750光照傳感器，總體框圖如圖1所示。

1.3 系統整體功能

系統主程序流程如圖2所示。電路板通電后，溫度、濕度和光照傳感器會采集溫室大棚的信息并傳送至Arduino主控芯片處理。芯片發送數據至ESP8266，ESP8266通過與手機APP通信發送至手機[4]，按下WiFi模塊開關，手機通過WiFi模塊發出的WiFi信號與模塊連接，然后打開手機環境監測系統APP，APP會顯示溫室大棚實時對應的溫度、濕度和光照強度的測試值[5]，實現遠距離監測報警功能。

2 系統硬件設計

2.1 Arduino單片機

簡單來說，Arduino單片機是一個基于開放和構建原始碼的軟硬件平臺，并且擁有廣泛的類似Java與 C語言的編程環境[6]。Arduino簡單易懂、操作簡單，包含硬件部分各種型號的操作板和軟件部分的IDE編程環境。Arduino IDE編程利用基于Wiring的編程語言和Arduino開發環境實現。

2.2 LM35溫度傳感器

經過對溫度傳感器性能與安全方面的比較，本文系統選擇LM35作為采集溫室大棚溫度值的傳感器。該傳感器工作性能穩定，測量精度高，誤差較小，額定使用范圍廣，可直接接電源工作，工作流程如圖3所示。

2.3 HR202濕度傳感器

經過對濕度傳感器性能與安全方面的比較，本文系統選擇HR202作為采集溫室大棚濕度值的傳感器。該傳感器可廣泛應用于各種測試濕度的環境中，通過電位器調節靈敏度。長期使用性能穩定安全，現已廣泛應用于醫療、倉庫、工業控制和科研等領域[7]。

2.4 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款超低功耗的WiFi透傳模塊，廣泛應用于互聯網和移動設備的無線連接領域，可實現互聯網或局域網的通信。ESP8266能夠獨立運行，也可搭載在其他擴展版上運行，工作時傳輸性能穩定，傳輸距離遠。

ESP8266的高速緩沖存儲器可減少內存需求，并且可以從主控芯片接收信息，無線傳輸到所需要的PC端或手機APP等[8]。該模塊成本低、體積小、傳輸速率快，可直接連接Arduino實現數據傳輸功能，有STA，AP與AP+STA三種工作模式。

2.5 CC2530 ZigBee無線通信模塊

CC2530是一種基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗的無線通信模塊，具有近距離、低成本、低數據速率與自組織等特點。系統內可編程閃存，主要適用于自動與遠程控制領域，可工作在2 400～2 450 MHz的公用頻段。通過該模塊可使傳統的串口設備進行無線連接，主要用于點對點與廣播等通信[9]。

3 手機APP制作與顯示

E4A是一種專門針對安卓手機APP開發的軟件，由開發區與代碼區兩部分組成。開發區針對手機APP顯示界面，代碼區針對手機APP的語言編程環境[10]。APP設計界面如圖4所示。

4 系統測試結果分析

按照電路圖把模塊與元器件在網孔板上連接成一個整體，下載好程序后開始測試。得到系統測試值，2個節點通電后，顯示當前環境下所采集到的溫濕度和光照強度。硬件實物如圖5所示。

通過人為改變節點周圍溫度與光照等條件，系統測試值發生明顯變化，并且當溫度值高于上限30、低于下限5，濕度值高于上限1 000、低于下限200，光照強度值高于上限800、低于下限10時，都會有蜂鳴器報警與APP界面報警，從而實現溫室大棚的環境監測與移動監測報警功能。經過多次測量對比，溫度測量值與實際值誤差在±0.25 ℃之間;濕度值誤差在2%～3%RH之間;光照強度值誤差在0.5%～3%lx之間，總體誤差較小，測量值較準確。

5 結 語

本文系統經過方案設計、硬件制作、軟件開發調試、系統測試等一系列步驟，多個節點都能正常顯示采集參數與通信，達到了數據精度要求。手機APP制作成功并安裝到手機，通過WiFi模塊連接節點與手機，節點間采用ZigBee無線通信傳遞數據，實現了手機APP上顯示溫、濕度及光照強度與報警功能。

參 考 文 獻

[1]郭翠玲，王華.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監測系統設計[J].黃岡職業技術學院學報，2017，19（3）：117-120.

[2]徐梓敬.太陽能供電的ZigBee低功耗溫室大棚監測系統設計[J].自動化技術與應用，2017，36（2）：75-78.

[3] HUGHES J M.Arduino技術指南[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[4]左現剛，劉艷昌，王建平.基于Arduino和VI的農田信息無線采集系統設計[J].農機化研究，2016（2）：213-217.

[5]楊寅，蘇彬.Android手機對Arduino電子原型平臺的藍牙控制機制研究[J].太原學院學報（自然科學版），2017，35（4）：58-61.

[6]李士寧.傳感網原理與技術[M].北京：機械工業出版社，2017.

[7]楊桂榮，任士虎.基于物聯網的溫室大棚智能控制系統總體方案設計[J].現代化農業，2017（5）：51-52.

[8]張培仁.傳感器原理檢測及其應用[M].北京：清華大學出版社，2016.

[9]王心海，賴文雅.無線傳感網在環境監測中的技術研究[J].電腦迷，2018（8）：140.

[10]楊利榮，李偉.基于Android平臺的空氣質量監測APP的設計與開發[J].科技創新與應用，2016（10）：76.