土壤溫濕度智能檢測系統設計

梁崴巍，梁 冀（通訊作者），梁 格

（廣西民族師范學院數理與電子信息工程學院 廣西 崇左 532200）

1 引言

我國作為農業大國，農業的發展狀況在某種程度上決定了我國經濟社會發展的狀況，所以我們國家在一定程度上重視對農業的發展。隨著經濟社會的高速發展，人們對農作物的產量需求與品質要求在不斷地提高，而高產量、高品質的農作物離不開科技與農業相結合。為了保證農作物品質的優秀和高效產能，就必須從作物所處的生長環境來解決實際問題。據研究表明，在農作物生長發育過程中，農作物生長過程中將會受到土壤諸多方面因素的影響，在這些因素之中，對農作物生長影響較大的便是土壤的溫濕度，農作物根部的生長與土壤的微生物生長活動直接受到土壤溫濕度影響，而且土壤溫濕度是土壤中水分運動的誘因，相對于標準溫濕度，相對高或者相對低的溫濕度都會對農作物的生長產生抑制影響。提高農作物產量的重要手段是控制土壤溫濕度在合適的范圍內，而控制土壤溫濕度在合適范圍的重要前提是有效檢測土壤溫濕度。因此，設計土壤溫濕度智能檢測系統有重要意義。目前，對于土壤溫濕度監測的設備過于簡陋，沒有完整的土壤溫濕度監測系統，而且監測操作過于繁瑣。因此，本文設計了一款關于土壤溫濕度智能檢測系統的項目以緩解問題。本項目設計的土壤溫濕度智能檢測系統采用ESP8266為主控制模塊，利用環境溫濕度檢測傳感器、光照強度檢測傳感器以及外圍電路實現將土壤溫濕度、光照強度情況傳送到顯示模塊OLED上進行數據顯示系統[1]。

土壤溫濕度智能檢測系統具有體積小巧，操作較為簡單、高效，而且能夠通過Wi-Fi技術來實時監測土壤環境、數據實時傳輸且數據精確極高的特點，而且可以通過手機APP查看數據分析，極大程度上方便了種植戶對農作物生長環境的了解，使得種植戶能夠根據檢測數據，做出相對應的改善措施，達到改善農作物的生長環境、提高農作物的產量以及品質的目的。因此，溫濕度土樣智慧檢測系統可以廣泛應用于對土壤溫濕度要求極高的花果種植，以及反季節蔬菜水果等農業種植。相比之下，舊版溫濕度監測系統只能通過實地考察實際情況，進行經驗性相關觀察測量，精確度相對不精確[2]。本項目所設計的土壤溫濕度智能檢測系統，從技術上解決了舊款溫濕度監測系統含有的一些缺陷，如實現Wi-Fi技術實現無線通信，數據可以通過手機APP進行查看，可以清晰地看到數據的具體情況、數據的均值，而且與之前的檢測儀器相比，改良過的檢測儀器測量實時準確度會達到更高。

2 系統功能簡介

圖1為土壤溫濕度智能檢測系統的基本架構。由圖1可知，土壤溫濕度智能檢測系統主要由四個部分組成。第一部分是土壤溫濕度智能檢測系統的控制中心-ESP8266，控制著整個系統各個模塊，按照系統運轉的需要，有序地發出相應的指令，協調著各模塊之間的相互通信，使得本系統有條不紊地開展各項工作。第二部分是土壤溫濕度智能檢測系統的環境傳感器數據的采集，本系統采用傳感器DHT11采集環境溫濕度，傳感器BH1750采集光照強度，溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測模塊檢測土壤溫濕度。第三部分是土壤溫濕度智能檢測系統的數據顯示部分，數據顯示部分利用OLED液晶顯示屏，通過手機APP通信，以便用戶實時獲取農作物土壤的溫濕度、光照強度以及環境溫濕度。第四部分是土壤溫濕度智能檢測系統的云服務器部分，云服務器部分采用巴法云平臺，巴法云物聯網平臺支持多模式的數據交互，滿足不同開發者的需求，并且協議規范，適用于各種平臺服務全兼容。主控芯片ESP8266通過MQTT連接巴法云服務器，實現數據的交互，功能檢測模塊將檢測數據傳到主控芯片，再由主控芯片與云服務進行數據的銜接，最后通過OLED和APP進行顯示。

圖1 土壤溫濕度智能檢測系統的基本架構

3 硬件設計思路

圖2 為本設計的硬件原理圖，土壤溫濕度智能檢測系統在硬件設計上主要由主控電路、電源電路、顯示電路、復位電路、傳感器電路、下載電路、備用電路等7個部分組成，在硬件電路實現上利用WiFi技術實現無線通信。其中，ESP8266主控模塊在接收到溫濕度傳感器采集到的數據信息，上傳至OLED液晶顯示屏和手機APP，用戶可通過OLED液晶顯示屏查看土壤溫濕度的數據信息，也可在手機終端使用項目自主設計的APP查看相關信息，該APP上的數據信息與OLED液晶屏上的數據能夠實時同步。

圖2 硬件設計原理圖

4 軟件設計方法

圖3為軟件設計流程圖，當開始啟動開關，網絡便會進行連接，網絡連接成功之后，傳感器D H T11環境溫濕度采集模塊、傳感器B H1750采集光照強度采集模塊、溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測模塊進行初始化動作，緊接著各模塊進行數據的讀取，最后傳輸送到巴法云平臺。使用期間，檢測數據會根據檢測環境變化情況不斷進行數據的更新。本設計智能溫濕度檢測系統在軟件設計上，其采用的是Arduino IDE進行編譯，以巴法云平臺作為其載體，通過E S P8266讀取傳感器數據并上傳至巴法云平臺[3]。巴法云物聯網平臺采用前后端分離的設計思想，致力于攻克高性能的異步并發的物聯網端服務器，保證了低功耗下數據的完整性和準確性。巴法云物聯網平臺支持多模式的數據交互，能夠滿足不同使用用戶的各種實際需求，并且該網絡平臺協議規范，能夠適用于各種平臺服務全兼容。

圖3 軟件設計流程圖

5 實物展示與測試情況

5.1 實物展示

圖4是土壤溫濕度智能檢測系統實物圖及其具體使用情況，接通開關連接電源，系統會通過液晶屏展現檢測、連接的情況。左邊液晶屏是連網接通情況分析，會顯示該部分系統是否連接成功，顯示“接通成功”，則說明系統已經開始運作，功能開始實現；中間和右邊部分都是對節點數據檢測實時情況的具體分析，顯示出實時環境中土壤實際溫度數值、環境溫度實際的數值、環境濕度的實際所占百分比以及光照強度的情況；手機部分是通過互聯WIFI技術實現APP數據監測實時情況，各節點數據會一一羅列出來，包括實時環境中土壤實際溫度數值、環境溫度實際的數值、環境濕度的實際所占百分比、光照實際強度的情況。手機APP檢測過程中對數據進行整體分析，進一步測量計算他們各個部分的節點平均數值的情況。

圖4 系統實物圖

5.2 測試情況

經過多次對土壤溫濕度智能檢測系統進行相關測試，最終其檢測結果顯示，監測系統已經能夠達到預期目標，能夠較為精確地檢測到想要測量的數據，土壤溫濕度智能檢測系統中傳感器DHT11能夠準確地采集到外部環境的實時溫濕度，傳感器BH1750也能夠順利采集到實時光照強度，同時溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測模塊可以正常運行，檢測到土壤的溫濕度。各個節點數據可以通過OLED液晶顯示屏進行顯示，通過手機APP通信實現Wi-Fi技術，能夠使用戶獲取農作物實時情況，包括土壤的溫濕度、光照強度以及環境溫濕度。手機APP端經過聯網不僅可以清晰地展示節點數據情況，而且可以根據數據節點的情況分析其平均數據，使得檢測數據更加精確。當然，其測量數據也會隨著環境情況變化而發生變化，進行不斷地更新加載，以及數據檢測分析。

6 總結

結合當下智慧型農業進行研究，本文設計了一款關于土壤溫濕智慧型檢測系統[4]。此系統在硬件設計上主要由主控電路、電源電路、顯示電路、復位電路、傳感器電路、下載電路、備用電路等七個部分組成。其中，ESP8266主控模塊在接收到溫濕度傳感器采集到的數據信息上傳至OLED液晶顯示屏和手機APP。在軟件設計上，其采用的是Arduino IDE進行編譯。利用Wi-Fi技術實現無線通信，完成數據采集后傳輸至OLED液晶顯示屏和手機APP，用戶可通過OLED液晶顯示屏查看土壤溫濕度的數據信息，也可在手機終端使用項目自主設計的APP查看相關信息，該APP上的數據信息與OLED液晶屏上的數據能夠實時同步。經過實際電路測試，功能實現已經完成，土壤溫濕度智能檢測系統可以正常進行運作，達到理想效果。