基于ESP8285的溫室環境監測系統設計

王羽徵，劉 丹，于秋玉，畢 海，程 遠

(1.大連海洋大學 信息工程學院，遼寧 大連 116000;2.中控智慧股份有限公司，遼寧 大連 116000;3.近海(大連)生態發展有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

隨著科技的進步和物聯網技術的快速發展，傳統農業開始以物聯網傳感器節點實時監測模式取代人工的不定時檢查。然而，當前的溫室檢測傳感器大多通過單獨鋪設數據線路進行數據傳輸，實施難度大，不利于初級農戶發展物聯網農業；且大多數農戶經營溫室數量龐大，使用傳統監測傳感器節點布設的方式會造成數據匯總難度大，不利于系統管理[1-3]，當前溫室監控架構如圖1所示。因此本設計采用數字化數據采集以及終端節點的無線數據傳輸，優化傳感器的供電方式，設計并開發了一套以ESP8285為主控芯片的無線多參數數據采集的溫室環境監測傳感器。該系統具有多點數據采集功能，并結合移動終端實現智能控制，使傳統農戶以最低成本實現多溫室環境的統一監測和統一控制，有效確保農產品的質量以及培育工作的順利進行。

圖1 當前溫室環境監控架構

1 系統設計概述

為了實現溫室內的無線監測，本系統整體結構包括了三個部分：環境信息采集板、溫室環境控制器及人機交互終端，如圖2所示。環境信息采集板是本設計的重點部分，其工作原理如圖3所示。該采集板可提供監測溫室內環境溫度、濕度以及光照度等環境信息。系統工作時，傳感器節點內置的傳感芯片通過IIC總線將收集到的相關數據發送給ESP8285主控芯片進行處理，處理后以UDP報文的方式通過WiFi發送給人機交互模塊以及上位機監控中心平臺[4-5]。上位機監控中心可將所有相關數據信息傳輸給任何需要查看的終端上，最終可以實現對大規模溫室群進行集中的環境實時數據監測。此外，管理人員也可使用上位機及移動終端向控制模塊發送指令，進行遠程控制。

圖2 系統整體結構

圖3 環境信息采集板原理結構

2 無線環境信息采集板設計

目前溫室內使用的環境信息采集裝置大多為單參數傳感器且傳感器尺寸較大，為了更加方便地采集環境信息，本文設計了一款多參數集成的環境信息采集板，整體電路由三個模塊組成：電源模塊、控制及WiFi模塊、傳感器模塊，各模塊連接方式如圖4所示。

圖4 模塊連接方式

2.1 傳感器模塊

溫室需要監測的環境信息主要包括：溫濕度、光照度、土壤水分、pH值等。本設計通過兩顆傳感器芯片實現了溫度、濕度與光照三個環境信息的監測。溫濕度傳感器使用HTU21D芯片，光照度傳感器使用BH1750FVI芯片。HTU21D溫濕度傳感器性能參數優秀，具有質量好、體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點[6]。BH1750FVI是一種用于IIC兩線式半雙工通信總線的數字型光強度傳感器集成電路，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化[7]。傳感器模塊的電路設計如圖5所示。

圖5 傳感器模塊電路圖

2.2 控制及WiFi模塊

目前農業溫室用傳感器上使用的MCU一般為STM32芯片與AT89C51芯片。為了實現數據的無線傳輸，本設計選擇了成本相對較低且具有無線傳輸功能的ESP8285芯片作為主控芯片。ESP8285是一款WiFi控制芯片，但WiFi協議棧只占用了其20%的MIPS，且提供了兩個IIC數據總線接口可與傳感器進行通信?？刂萍癢iFi模塊的電路設計如圖6所示。

圖6 控制及WiFi模塊電路圖

2.3 電源模塊

為了方便添加其他設備，本系統采用24 V的外接電源供電，數據采集板的使用電壓為3.3 V。在數據采集板的PCB板上集成了24 V降3.3 V電源模塊，使用MP1584芯片作為降壓芯片，使PCB板可以在24 V的電源下穩定工作，并可以按需增加攝像頭等其他配件。電源模塊的電路設計如圖7所示。

圖7 電源模塊電路圖

2.4 硬件成品設計

為了方便農業溫室內的布設與后期維護，將無線環境信息采集板設計為圓形，并使用E27接口的燈泡外殼作為采集板的外殼，這樣可以只在溫室內壁放置E27接口燈座，并且布設5 V電纜，就可以方便地實現監測節點的布設。同時燈泡外殼的柔光罩也可以將外界光線柔化，避免了光照傳感器讀數不準確的情況。如果出現監測節點故障，無法正常工作的問題，可以直接將損壞節點更換為新節點。無線環境信息采集板的安裝成品如圖8所示。

圖8 無線環境信息采集板成品

3 系統軟件設計

區別于市面上的傳統成品傳感器，本設計在采用全新硬件的同時，使用C語言為硬件編寫了一套從數據采集到數據整理再到數據發送的完整軟件。軟件設計包括3個部分：WiFi的連接、傳感器芯片數據的獲取、數據的整合與發送。環境信息的采集與發送流程如圖9(a)所示。首先將每個節點連接到現場布置好的WiFi基站，連接成功后依次從溫濕度傳感器與光照傳感器芯片通過IIC總線獲得溫濕度數據和光照度數據，本采集板中ESP8285作為IIC通信主機，HTU21D與BH1750作為IIC通信從機，主機發送從機地址加寫命令，從機收到后與自身的地址對比，確認匹配后，向主機發送應答指令。主機繼續向從機發送對應從機的檢測代碼加寫命令，并等待從機的檢測。經過短暫延時，主機發送從機地址并加讀命令，從機接收到指令后向主機發送采集到的數據。獲得兩傳感器芯片的測量值后按照芯片手冊中的數據轉換函數將返回值轉換為真實值，經過合并處理后通過UDP報文發送給遠程監控中心或移動終端。通過這一軟件流程，可以實現高效率的環境信息實時獲取功能。溫濕度與光照度數據獲得流程如圖9(b)所示。

圖9 程序流程圖

4 系統測試

4.1 實驗調試

在按照電路圖焊接好無線環境信息采集板后，使用Eclipse軟件將工程文件通過串口燒錄至控制芯片內。完成后同時按住S1、S2兩個按鈕并通電進入SmartConfig模式(ESP8285內置的無線網絡遠程配置功能)，使用手機端APP進行無線環境信息采集板的無線設置，無線網絡配置如圖10(a)所示。配置成功后板載LED燈LNK進入常亮狀態，此時無線環境信息采集板開始進入環境信息讀取與無線發送狀態。使用手機端的Blynk軟件來接收無線環境信息采集板發送的數據，數據接收界面如圖10(b)所示。

圖10 實驗階段調試界面

4.2 實地測試

本設計完成初步調試后，在遼寧省大連市綠鑫櫻桃種植基地進行了實地測試，挑選典型溫室進行現場試驗，在溫室里搭設4個監測節點。與實驗室調試相同，進入SmartConfig模式后使用手機APP遠程配置，連接在現場架設好的無線網絡基站。然后使用Blynk軟件進行監測，監測結果如圖11所示。

圖11 現場測試監控界面

5 結論

目前物聯網在農業方面應用廣泛,但溫室內由于環境復雜，通信線路架設困難，且在大規模溫室群中，將會有大量的傳感器節點。本設計使用ESP8285無線控制芯片實現了溫室內監測節點收集到的數據通過無線網絡進行傳輸，同時使用HTU21D和BH1750FVI進行溫室內溫度、濕度及光照度的信息采集，采集到的環境信息通過IIC總線傳輸給ESP8285無線控制芯片，經過處理后通過WiFi遠程發送給數據處理中心，在一定程度上提高了多節點環境信息實時通信的可靠性，解決了目前溫室內數據傳輸布線困難以及多溫室節點數據通信難以實現的問題。