一種低成本的大棚氣象檢測儀設計與實現

歐慶榮 郭紅英

（漳州職業技術學院電子工程學院 福建省漳州市 363000）

大棚農業種植可以有效提高農作物產量與品質，通過物聯網技術結合農業大棚氣象檢測是現代化農業生產種植的重要標志之一，是農業大棚生產各環節檢測、協作的重要技術保證[1-2]。物聯網運用一系列的傳感器技術，把傳感器采集數據和服務器通信，繼5G之后全世界主要發達國家作為新的高質量經濟增長點。人民生活水平的不斷提高，居民出行使用汽車越來越多，汽車尾氣等進入大氣致使PM2.5/10的濃度越來越高。由于農作物生長與自然環境息息相關，農作物對溫濕度過高或者過低、PM2.5濃度較高、氣候氣壓變化、光照強度都會大大降低產量與品質[3]。而溫濕度、光照氣壓、PM2.5等氣候對相應的農作物影響都不一樣，因而，設計一種精準測量并能夠設置監控溫濕度、PM2.5等氣象數據預警值，同時能夠及時發出警報的系統達到高效監管，對農作物種植人員已刻不容緩[4-6]。

自4G網絡普及以來，5G基站建設如火如荼，物聯網與手機端android得到了快速發展，這解決了儀器檢測設備需要借助有限網絡的局限性。大棚氣象無線監測通常采用Wi-Fi、ZigBee和藍牙三種無線通信技術[7]。其中ZigBee雖然最大接入數量高達65000個網絡節點，但是它是三者抗干擾性能最差，一旦ZigBee與藍牙信號的信道重合，ZigBee信號性能會受到嚴重干擾[8-9]。而藍牙無線通信本身傳輸的距離相對較短，存在著不同的設備之間因協議問題導致的不兼容的不足[10]。Wi-Fi具有易于擴展和高速傳送數據特點，成本比較低，支持Wi-Fi的產品很多，所以選擇通過Wi-Fi實現無線通信。故本人設計一種采用低成本的國產單片機STC15W4K56S4為主控芯片將大棚的溫度濕度、氣壓、PM2.5/10濃度通過ESP8266-01系列的Wi-Fi模塊傳入手機安卓端，實現對大棚氣象參數監控并對極端氣候進行預警從而增加大棚農作物的產量與品質。

1 系統總體設計

檢測儀采集大棚環境參數時，需要明確檢測環境因子并明白環境變化對大棚植物的影響。不具備無線網絡傳送采集檢測的數據容易致使隨意、盲目與憑經驗種植錯失農作物的最佳生長環境，使直接無線傳輸到服務器來遠程監測控制，為農作物種植提供科學依據顯得迫在眉睫[11]。因此，本設計采用氣壓傳感器、粉塵傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器采集大棚里的氣象信息傳輸給主控芯片STC15W4K56S4單片機，進行數據處理后通過Wi-Fi模塊傳送至安卓終端。管理員通過在安卓手機端的APP設置氣象數據的預警值，一旦超過警戒值后手機應用端收到預警通知，實現監控氣象數據，讓植物成長在適合的環境里。

2 硬件設計

圖1：系統總體設計

本設計主要硬件電路如圖2所示，U1為主控芯片STC15W4K56S4單片機，具有高速、低功耗、抗干擾性強4K RAM和56K ROM，支持在線編程等特點，實現傳感器的采集大棚氣象數據通過Wi-Fi發送至手機端。U2為16位AD轉換的BH1750光照傳感器，能夠表示1-65535lx，采集的光照數據經過P1.4和P1.5接口IIC 總線SDA和SCL通信。其中光照強度等于讀取值乘以分辨率除以1.2倍的靈敏度，大棚采集氣象數據間斷性采集對時間要求不高，故采用0.5lx分辨率；U3是DHT11溫濕度傳感器，其中第2腳具有AD轉換功能，用于檢測大棚溫濕度濃度，上電初始化時需要一秒后才能開始采集。當手機APP端發送開始采集后，STC15W4K56S4單片機向DHT11傳感器發送采集信號，模式由低功耗變成高速，直到接收到主機開始信號結束后，此時仍然需要等40us以后才能夠讀取DHT11的響應信號。U4是BMP180氣壓傳感器，引腳3和4分別接P5.2和5.3接口，SDA依據SCL產生起始與終止信號。U5是ESP8266-01模塊通過Wi-Fi解決方案使手機端能夠獲取設備儀器經過傳感器采集的大棚氣象數據，電源連接3.3V共有8個引腳，UTXD和URXD外接單片機P1.0、P1.1接口實現。因為802.11標準規定的頻率為2400到2484MHz可分為1-14個信道，為了防止信干擾，相鄰的設備儀器采用的信道間隔2個信道。同時，為了降低功耗，系統在不采集工作時候，ESP8266進入休眠模式直到下次需要時候自動喚醒[12]。U6是激光傳感器模塊，大棚空氣顆粒物進入激光束區域里，根據米氏理論算法計算出顆粒物濃度傳送數據至單片機P5.1口，顆粒濃度增大的時候，采集間隔需要減小[13]。

3 軟件設計

設備上電后，開始初始化傳感器模塊和Wi-Fi模塊，傳感器采集的數據通過IO口傳輸至單片機里。系統采集流程圖如圖3所示：大棚里的氣壓、光照等氣象數據通過單片機算法校正后得到溫度、壓力與光照值通過Wi-Fi傳送至手機端。手機端分為設置預警、實時數據、用戶歷史數據三個功能模塊。大棚氣象檢測儀APP是基于Android平臺4.3版本開發來的，它不僅能夠兼容Android 4.3還能夠兼容后面新的Android版本。Java采用Java 1.8版本，Eclipse開發工具來搭建開發環境，使用MySql開源數據庫存儲手機端的氣象數據。硬件部分采用keil IDE開發工具，C語言程序設計的開發語言實現硬件的開發。之后用戶通過手機應用軟件查看大棚氣象數據。Wi-Fi通信如圖4所示，初始化ESP8266之后配置串口AT指令集如工作模式AP+STATION、熱點名字與密碼，建立TCP服務器連接等，之后再通過單片機的串口發送聯機指令U2SendString(str1)、U2SendString(str2)、U2SendString(str3)...。 設置發送每個指令間都需要延時500毫秒。AT部分指令集如下所示：

圖2：部分硬件電路

圖3：系統采集流程圖

圖4：單片機Wi-Fi通信流程圖

圖5：連接氣象檢測儀

圖6：設置氣象預警

圖7：氣象預警通知

圖8：實時檢測效果

4 結果測試

大棚檢測儀能夠采集大棚里的空氣溫濕度、PM2.5、氣壓光照等氣象數據，本APP適用安卓系統4.3及以上。使用前，登錄大棚氣象檢測儀手機客戶端后需要先設置相應的IP值與端口號來連接檢測儀的Wi-Fi如圖5所示。當連接成功后，手機APP將會接收單片機STC15W4K56S4經過Wi-Fi模塊發送傳感器采集大棚氣象數據。圖6是手機端設置氣象預警值，光照與溫濕度與空氣粉塵濃度的上限和下限值。之后點擊確定，系統就開始執行監控功能。一旦氣象數據超出我們設置的預警值時，用戶手機界面將觸發時間、觸發的值等相關氣象數據保存并預警，促使用戶采取措施處理，系統將會發送通知如圖7為界面所示；圖8為大棚環境數據實時監測圖，當我們在手機端打開采集開關按鈕時，系統將顯示相應大棚里面的粉塵濃度、光照、大氣壓、溫度、濕度實時檢測值，如1號大棚所示。當我們不需要采集某個大棚時，我們可以關閉數據采集，這時候氣象數據也不在顯示具體值，如2號大棚所示，如果需要采集時候，只需要點擊開始按鈕就能夠采集。通過手機端使管理員能夠低成本的監控農作物的氣象環境，達到不需要去農田也能監控農作物。

5 結語

本文將物聯網技術與安卓平臺相結合，實現大棚的氣象數據遠程監控與記錄在手機端。一旦大棚里出現不適合農作物的氣候時，用戶通過手機APP的預警通知，能夠及時做出應對方案，提高農作物的產量與品質。本設備儀器采用的低功耗的單片機芯片與低成本的傳感器使該儀器設備的系統軟硬件成本低廉，無線自動采集且自動預警使一人可以監控整個農場的農作物，具有一定的應用價值。所不足之的地方是還沒有開發蘋果手機端應用場景，而且蘋果的用戶也比較多，仍然需要進一步完善。