基于機智云平臺的溫室番茄遠程監控系統

吳 文，鄒騰躍

(福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002)

0 引言

云平臺又叫云計算平臺，它是向用戶提供基礎服務、數據、中間件和數據服務的平臺[1]。云平臺按照不同的服務類型可以分為存儲型、計算型及綜合型3類平臺[2]。我國現代設施農業的發展趨向智能化發展，傳統溫室番茄的種植存在許多不利的因素，難以滿足消費者對番茄產量及品質的需求。隨著云平臺技術及物聯網技術應用于農業生產，對溫室番茄進行遠程管理可以提高種植效率，是我國精細農業政策的具體體現。

1 系統總體設計方案

基于機智云平臺的溫室番茄遠程監控系統整體設計如圖1所示。其中，上位機包括手機APP終端和機智云平臺，用戶可以通過手機APP終端查看由下位機上傳的溫室番茄環境參數，還可以發送操作指令通過Wi-Fi無線通訊模塊傳輸給下位機，遠程控制LED光源亮度和排氣扇運行狀態。下位機是由環境參數傳感器(溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2傳感器)、控制器STM32F103、LED光源和排氣扇控制模塊等組成。控制器接收溫濕度傳感器、光照強度傳感器和CO2傳感器所采集的溫室番茄環境參數，通過Wi-Fi無線通訊模塊上傳至機智云平臺及手機APP終端，并且下位機作為執行機構可執行由手機APP終端和機智云平臺下傳的操作指令。

該系統主要實現的功能為通過手機APP終端和云平臺可實時查看溫室中番茄生長的環境參數，并且通過Wi-Fi技術和云平臺實現上位機和下位機的通訊，實現手機APP終端遠程管理調控溫室番茄環境參數。對于溫室番茄，溫度對其生長的影響要高于相對濕度和光照強度的影響[3]。

根據溫室番茄的生長特性對環境傳感器的參數做出以下要求：溫度傳感器測量范圍0～50 ℃，精度±2 ℃；濕度傳感器測量范圍20%～95%RH，精度±5%RH；光照強度傳感器的測量范圍0～65 535 lx，精度±2 lx；CO2傳感器測量范圍0.04%～6.00%，精度為±0.000 2%。

2 硬件設計

基于機智云平臺的溫室番茄遠程監控系統的硬件主要由STM32F103ZET6單片機、DHT11溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器、SGP30氣體傳感器、ESP8266-01S Wi-Fi模塊、LED光源及排氣扇控制模塊等組成。

2.1 環境參數傳感器

DHT11溫濕度傳感器是集溫度、濕度測量于一體的傳感器，采用單總線的方式與單片機相連接[4]。單總線通信提高了單片機IO口的利用率，DHT11溫濕度傳感器模塊的DAT引腳與STM32F103單片機的PA11引腳相連接。

GY-30光照傳感器以BH1750FVI芯片為核心，內置16位A/D轉換器[5]。GY-30光照傳感器模塊將經過A/D轉換生成的數字量采用IIC通信的方式傳輸到STM32F103單片機，IIC通信線分別與STM32F103單片機的PB3和PA15連接。SGP30氣體傳感器內置4個氣體傳感元件可檢測甲醛、CO2等氣體[6]。本次設計主要檢測溫室番茄的環境生長參數，故只需檢測溫室中CO2含量即可，SGP30氣體傳感器模塊通過PB0和PB1與STM32F103單片機相連接采用IIC通信的方式。環境參數傳感器參數如表1所示。

表1 環境參數傳感器參數

2.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi無線通訊模塊采用樂鑫公司的ESP8266-01S Wi-Fi模塊[7]。ESP8266-01S Wi-Fi模塊內置芯片為ESP8266EX，ESP8266EX采用32位的處理器，內部集成了許多模塊如Wi-Fi天線、濾波模塊及功耗管理模塊等，同時還提供豐富的通訊接口如SPI/SDIO、UART以方便與MCU通訊。ESP8266EX引腳如圖2所示。由于ESP8266EX芯片具有強大的功能屬性，它既可以作為獨立的Wi-Fi開發對象供開發者開發，又可以燒寫固件作為從機采用串口通訊與MCU連接。本次設計將ESP8266-01S Wi-Fi模塊作為從機，確保能夠與機智云平臺通訊必須燒寫由機智云官方提供的Wi-Fi固件。采用串口通信的方式與單片機進行數據交換，ESP8266-01S Wi-Fi模塊的RXD引腳連接單片機的PB10引腳，TXD引腳連接單片機的PB11引腳。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

基于機智云平臺的溫室番茄遠程監控系統的主程序流程如圖3所示。首先單片機系統、各個環境傳感器模塊及ESP8266-01S Wi-Fi模塊初始化。通過按鍵掃描將手機APP終端與Wi-Fi模塊進行網絡配置，單片機判斷Wi-Fi模塊是否進入Air-Link模式。若進入Air-Link模式，各個環境傳感器模塊所采集的溫室數據通過ESP8266-01S Wi-Fi模塊上傳至機智云平臺和手機APP終端，用戶則可以通過機智云平臺和手機APP終端直接查看溫室番茄的環境參數。

3.2 機智云平臺設計

機智云是致力于為開發者提供智能硬件開發及云服務的平臺[8]。它為消費者提供了詳細的開發流程、豐富的開源代碼及便利的測試工具，可提高開發效率，縮短開發周期，深受開發者歡迎。首先，根據系統不同的功能需求在機智云平臺創建所對應的數據點，如表2所示。其次，可使用機智云平臺提供的虛擬設備調試工具，模擬數據上報驗證已創建數據點的可實施性，測試無誤后在MCU開發選項中根據不同MCU的型號下載所對應的下位機代碼。本文所使用的下位機端代碼是適用于STM32系列的單片機。

表2 機智云平臺數據點參數

3.3 Wi-Fi模塊軟件設計

GAgent固件是機智云專為ESP8266 Wi-Fi模塊開發的一款Wi-Fi固件[9]。將它燒錄到Wi-Fi模塊可實現上層應用如機智云平臺、手機APP終端與產品設備之間的相互通信。使用ESP8266專用燒寫軟件向Wi-Fi模塊燒錄GAgent固件后，實現Wi-Fi模塊與手機APP終端配置入網。

Wi-Fi模塊作為網關實現上位機與下位機相互通信，主要分為兩個部分。

(1)下位機數據上傳至上位機，STM32單片機將各個傳感器模塊采集的環境參數數據通過USART3存儲在結構體函數currentDataPoint中，調用userHandle函數將數據上傳至上位機。

(2)上位機指令下傳至下位機，手機APP終端和云平臺將修改LEDPWM值和排氣扇狀態的指令通過Wi-Fi模塊發送至STM32單片機，在EventProcess函數中觸發所對應的事件(控制LED光源亮度、控制排氣扇狀態)。

4 系統測試

使用機智云APP在機智云平臺掃描二維碼綁定虛擬設備獲取相應的工程項目，保證手機和Wi-Fi模塊連接在同一無線網絡下，點擊“一鍵配置”進行Wi-Fi模塊的配置入網。根據Wi-Fi模塊不同生產廠商進行選擇，本文所使用的Wi-Fi模塊型號為樂鑫公司的ESP8266-01S。確保手機APP與Wi-Fi模塊配網成功后即可在“我的設備”查看已開發的個人項目，進入溫室番茄環境監控界面即可查看由下位機所采集的溫室番茄環境參數，點擊風扇按鈕和LEDPWM值可控制下位機調整排氣扇狀態及LED光源亮度，手機APP終端控制界面如圖4所示。

5 結束語

本文使用Wi-Fi和云平臺技術實現了溫室番茄環境生長參數的遠程監控系統，用戶可使用手機APP終端和機智云平臺實時獲取番茄環境生長參數并發出控制指令改變LED光源亮度及排氣扇狀態，STM32F103單片機作為下位機的控制核心，負責環境參數的上傳和執行上位機命令。經測試，本次設計實現了溫室番茄環境生長參數的遠程監控，極大程度提高了溫室番茄的種植效率。