基于WiFi的智能園林管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

魏佳敏，常新峰

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南平頂山 467000）

面對全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染、空氣陰霾問題，建造城市人工綠化園林是改善自然環(huán)境的有效措施，但在園林管理方面，我國仍處于相對落后的地位，尚未形成完善的園林管理系統(tǒng)[1]。當(dāng)前我國園林管理多以人工方式進(jìn)行管理，城市園林養(yǎng)護(hù)和監(jiān)督管理工作中的問題日益突出，傳統(tǒng)方式已不適應(yīng)園林建設(shè)發(fā)展速度。因此對智能園林管理系統(tǒng)的研究是十分迫切的，為提升園林管理效率，該文融合嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和WiFi 通信技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)一款基于WiFi的智能園林管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該智能園林系統(tǒng)以STM32F103C8T6 單片機(jī)作為核心控制器，采用WiFi 通信完成遠(yuǎn)程傳輸[2]。該系統(tǒng)由采集與控制端，數(shù)據(jù)傳輸端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控信息端組成，分別對應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層以及應(yīng)用管理層[3]。

采集與控制端由溫濕度模塊，土壤濕度模塊以及煙霧模塊等構(gòu)成，實現(xiàn)不同環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)傳遞給主控模塊。系統(tǒng)選用七針的OLED 屏作為顯示模塊，蜂鳴器作為報警模塊，及采用繼電器控制水泵來實現(xiàn)控制模塊。

數(shù)據(jù)傳輸端主要由ESP-8266WiFi 模塊及ONENET云服務(wù)器構(gòu)成。WiFi模塊通過串口AT指令與單片機(jī)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸端與采集控制端的數(shù)據(jù)交互。基于EDP 協(xié)議，將主控模塊整理打包的數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送至ONENET 云平臺。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端主要通過客戶端APP 實現(xiàn)。一方面，數(shù)據(jù)通過云平臺的儲存和轉(zhuǎn)發(fā)到手機(jī)APP，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化監(jiān)控。另一方面，用戶可通過手機(jī)APP 下發(fā)命令，經(jīng)云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)后，由硬件設(shè)備進(jìn)行命令解析與響應(yīng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

智能園林系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。系統(tǒng)可完成各項環(huán)境參數(shù)的采集，實現(xiàn)閾值的設(shè)置及環(huán)境參數(shù)的管控、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸以及用戶實時的控制操作。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)由主控模塊單片機(jī)、電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、WiFi 通信電路以及顯示電路構(gòu)成。電源電路為該系統(tǒng)供電，顯示電路用于顯示各環(huán)境參數(shù)的數(shù)值和當(dāng)前模式[4]。傳感器數(shù)據(jù)采集電路由溫濕度、煙霧濃度、土壤濕度等模塊構(gòu)成，用于檢測對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，獲取相應(yīng)的信息。WiFi 通信電路用于實現(xiàn)傳感器部分采集的數(shù)據(jù)與云平臺之間的交互。

2.1 STM32單片機(jī)

智能園林系統(tǒng)選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控模塊，其適用的溫度在-40～85 ℃，適用范圍較廣，性能穩(wěn)定。該系統(tǒng)選用3.3 V電壓，單片機(jī)的I/O口數(shù)量適中，在進(jìn)行合理的部署與設(shè)計下，可以很好地滿足該系統(tǒng)的需求。單片機(jī)最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)工作的基礎(chǔ)，其最小系統(tǒng)電路圖如圖2所示。通過傳感器模塊、顯示模塊、通信模塊連接，可實現(xiàn)智能監(jiān)測控制[5]。

圖2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路可細(xì)分為溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度采集電路。

溫濕度信息采集選用DHT11 模塊，溫濕度的精度及可測試的范圍均可滿足該系統(tǒng)的需求，DHT11的測溫、測濕功能分別由其內(nèi)部的NTC 測溫元件和電阻式感濕元件來實現(xiàn)。它們獲得溫度和相對濕度的模擬量后，經(jīng)內(nèi)部的AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由單線串行接口發(fā)送到單片機(jī)。將DATA 數(shù)據(jù)口接單片機(jī)PB11 口，另外兩個引腳分別與VCC 與地進(jìn)行相應(yīng)的連接，為DHT11 供電。接口電路如圖3所示。

圖3 DHT11接口電路圖

煙霧濃度采集電路選用MQ-2 煙霧傳感器。在該系統(tǒng)中，采集該模塊的模擬量輸出，即選用AO 模擬電壓輸出端，使其與單片機(jī)的ADC1 通道5 相連，即PA5 引腳。TTL 電平輸出引腳（DO 引腳）做懸空處理。由于MQ-2 中氣敏材料的特點，當(dāng)煙霧濃度變大時，電導(dǎo)率相應(yīng)的變大，輸出電阻的阻值也會相應(yīng)的越低，從而MQ-2 模塊輸出的模擬信號也會隨之變大，主控芯片進(jìn)而通過模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集。煙霧傳感器模塊接口電路圖如圖4 所示。

圖4 煙霧傳感器接口電路圖

該系統(tǒng)中采用YL-69 型土壤濕度傳感器來進(jìn)行土壤濕度的檢測，其原理是將土壤作為一個可變電阻。利用兩個插片連接這個可變電阻，當(dāng)土壤濕度大時，該電阻值會減小，反之，電阻值會變大。對應(yīng)濕潤度的標(biāo)定，選用輸出電壓的模式，通過接入單片機(jī)將模擬量輸入，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值。將傳感器AO 引腳其與單片機(jī)PA4 相連，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并根據(jù)一定的算法得出當(dāng)前的土壤濕度。其接口電路原理圖如圖5 所示。

圖5 土壤濕度接口電路原理圖

2.3 顯示電路

該系統(tǒng)顯示模塊選用0.96 寸七針OLED 顯示屏，由于其自發(fā)光的特點，不再添加背光。其顯示區(qū)域為128×64 的點陣，具備小巧輕便、顯示效果清晰、耗電較低、對比度高的特點[6]。模塊共有七個管腳，采用SPI 方式驅(qū)動OLED。硬件設(shè)置上1-7 腳分別接單片機(jī)的PB12、PB14、PA8、PB15、PB13、電源和GND[7]。接口電路原理圖如圖6 所示。該部分用來顯示各數(shù)據(jù)參數(shù)，以及手動/自動模式的狀態(tài)。

圖6 OLED顯示屏接口電路圖

2.4 WiFi通信電路

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)傳輸端進(jìn)行交互時，起關(guān)鍵作用的就是無線通信模塊部分。該系統(tǒng)用ESP8266WiFi 模塊與ONTENET 平臺進(jìn)行通信。且其價格低、穩(wěn)定性高、串口速率可達(dá)4 Mbps。ESP8266WiFi 模塊可支持高性能的無線SOC，可通過AT 指令快速上手，并且支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三種工作模式。

該設(shè)計中，從以上的工作模式中選擇STA 模式作為WiFi 模塊的工作模式，完成手機(jī)與通信模塊之間的數(shù)據(jù)通信。通信模塊與單片機(jī)之間通過串口來相互通信，單片機(jī)會將采集到的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并用串口傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯絎iFi 模塊[8]。數(shù)據(jù)由WiFi 模塊根據(jù)EDP 協(xié)議將環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成相應(yīng)的格式發(fā)送到云平臺，消息類型選擇SaveData 類型，消息子類型采用JSON 格式串[8]。通信模塊的RX、TX 口分別接單片機(jī)的PA3（TXD）口和PA2（RXD）口，WiFi模塊電路接口電路圖如圖7 所示。

圖7 ESP8266電路原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)終端程序設(shè)計

軟件設(shè)計的主要任務(wù)：STM32 單片機(jī)使用單總線獲取DHT11 模塊采集到的溫濕度大小，通過DMA雙ADC 接口來連接煙霧濃度模塊、土壤濕度模塊，在采集到傳感器的模擬量后，通過算法得到煙霧濃度和土壤濕度的值。當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)時，驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報警。使用USART2 串口進(jìn)行單片機(jī)與WiFi模塊的通信，然后將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到ONENET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺上，云平臺下發(fā)手機(jī)APP，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化顯示，同時可以在APP 界面進(jìn)行一些控制命令的下發(fā)，如管理系統(tǒng)的模式設(shè)置及水泵的運行[9]。主程序流程示意圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程示意圖

軟件部分總體工作流程如下：

1）初始化系統(tǒng)及各個模塊的設(shè)置：系統(tǒng)時鐘的初始化、串口USART1 的初始化、定時器TIM2 及TIM3 初始化以及OLED 顯示屏、DHT11、ADC、土壤濕度與煙霧模塊的初始化[10]。

2）WiFi 通信模塊初始化：WiFi 模塊I/O 初始化及復(fù)位、將ESP8266 模塊的命令收發(fā)模式設(shè)置為STA、通過STM32 發(fā)送相關(guān)的AT 指令、控制WiFi 通信模塊連接上路由器[11]。

3）接入云平臺：若連接成功，就將單片機(jī)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)每2～3 s 一次通過WiFi 模塊發(fā)送到ONENET 云服務(wù)器，并更新數(shù)據(jù)到OLED 顯示屏上。

4）手機(jī)端APP 可以控制系統(tǒng)的運行模式，在手動模式下，可通過APP 下達(dá)水泵的開啟與關(guān)閉命令，執(zhí)行相應(yīng)的動作。在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的土壤濕度范圍進(jìn)行自動調(diào)整，當(dāng)土壤濕度小于20%RH 時，立刻打開水泵澆水的，在土壤濕度大于35%RH 時，進(jìn)行關(guān)閉水泵的操作。

3.2 溫濕度模塊子程序

首先，進(jìn)行DHT11 的初始化，配置PA11 引腳的模式，將其配置為推挽輸出模式，而后根據(jù)模塊的時序圖進(jìn)行相應(yīng)的配置。由于總線空閑狀態(tài)為高電平，所以將PA11 引腳拉高。接著進(jìn)行DHT11 的復(fù)位操作，設(shè)置DHT11 的I/O 口為輸出模式，配置為拉低至少18 ms，接著再拉高20～40 μs，在這段時間內(nèi)等待DHT11 的回應(yīng)，這時需要改變I/O 口為輸入模式，等待DHT 傳輸?shù)牡碗娖健Ｈ舻却?00 μs 仍未拉低則返回1 表示錯誤，未檢測到DHT11 的存在，若檢測到低電平后在檢測到高電平則返回0，表示DHT11存在。

當(dāng)檢測到DHT11 后，則需要讀取數(shù)據(jù)。首先，編寫DHT11_Read_Bit()函數(shù)來讀取一個字節(jié)，即檢測到DHT11 的低電平后，延時40 μs，若仍為高，則讀取一位數(shù)據(jù)為1，反之則為0。編寫函數(shù)DHT11_Read_Byte()利用循環(huán)左移八位來讀取一字節(jié)的數(shù)據(jù)。DHT11 模塊傳輸一次完整的數(shù)據(jù)為40 bit，數(shù)據(jù)格式分為五部分：濕度整數(shù)及小數(shù)數(shù)據(jù)、溫度整數(shù)及小數(shù)數(shù)據(jù)、校驗和，每部分占8 bit 順序傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和結(jié)果等于前四部分相加。只獲取整數(shù)部分作為測得的溫度與濕度值。溫濕度模塊子程序流程圖如圖9(a)所示。

圖9 子程序流程圖

3.3 土壤濕度模塊、煙霧模塊子程序

首先，進(jìn)行對AD 端口的初始化，配置單片機(jī)的PA4 和PA5 引腳為輸入模式，而后配置ADC 通道4和通道5 初始化，定義土壤傳感器為ADC 通道4，定義煙霧濃度傳感器為ADC 通道5，使能指定的ADC1的軟件轉(zhuǎn)換啟動功能[12]。等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，循環(huán)獲取五次ADC 規(guī)則組的轉(zhuǎn)換結(jié)果，即循環(huán)獲取五次采集的值，再取平均值，以使結(jié)果更加準(zhǔn)確。由于單片機(jī)ADC 為12 位，所以測出值為0～4 096，將值縮小40.96 倍，使結(jié)果取值范圍為0～100，由于ADC 獲取數(shù)值與需要的值相反，因此需用100 減去得到的值。土壤濕度模塊子程序流程圖如圖9(b)所示，煙霧模塊子程序流程圖如圖9(c)所示。

3.4 OLED顯示模塊子程序

首先，進(jìn)行OLED 屏幕的初始化，設(shè)置PB12、PB14、PA8、PB15、PB13 端口為推挽輸出模式，復(fù)位SSD1306，驅(qū)動IC 初始化代碼，清零顯存，開始顯示[13]。接著設(shè)置命令口的地址，判斷讀狀態(tài)字忙時，進(jìn)行寫命令寄存器，等待初始化完成后，設(shè)置數(shù)據(jù)口的地址，再次判斷讀狀態(tài)字狀態(tài)，讀狀態(tài)忙時，寫顯示數(shù)據(jù)，并將取模軟件取出的數(shù)據(jù)寫入。模塊子程序流程圖如圖9(d)所示。

3.5 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用程序主要包括Web 程序、手機(jī)APP 程序兩個部分組成。APP 和系統(tǒng)終端之間的數(shù)據(jù)交互是通過ONENET 平臺來實現(xiàn)。在該設(shè)計中采用EDP協(xié)議接入，EDP 是ONENET 平臺特有的傳輸協(xié)議。該協(xié)議基于TCP 進(jìn)行傳輸，具有較強(qiáng)的功能，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下發(fā)及轉(zhuǎn)發(fā)功能，接收數(shù)據(jù)時支持七種格式，實現(xiàn)起來也較為簡單。

系統(tǒng)內(nèi)置傳感器采集到的溫度、濕度以及煙霧等各類數(shù)據(jù)，借助STM32 嵌入式平臺的WiFi 功能上傳云平臺[14]。ONENET 平臺可以實時接收來自系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、監(jiān)測、存儲等，也可以將接收的數(shù)據(jù)實時同步到手機(jī)APP 端，用戶通過APP 可以實時的查看植物的生長情況，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。ONENET 也可以接收來自APP 的控制命令數(shù)據(jù)，通過ONENET 云平臺進(jìn)行命令的轉(zhuǎn)發(fā)，隨后下發(fā)至硬件部分進(jìn)行命令的解析，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的操控[15]。在平臺的應(yīng)用設(shè)計界面，針對不同的數(shù)據(jù)流添加不同的圖標(biāo)來進(jìn)行表示，同時也可以添加相應(yīng)的控件進(jìn)行命令的下發(fā)，如圖10所示。

圖10 應(yīng)用開發(fā)界面

在應(yīng)用區(qū)設(shè)計了由基礎(chǔ)元素和控制元素構(gòu)成的組建庫，基本元素包含了對植物生長情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如溫度、濕度、土壤濕度以及煙霧濃度的儀表盤。控制元素主要包括了開關(guān)功能按鈕，實現(xiàn)對園林系統(tǒng)模式的遠(yuǎn)程控制[16]。

4 系統(tǒng)測試

1）當(dāng)系統(tǒng)上電后，各模塊進(jìn)行初始化，OLED顯示屏顯示出當(dāng)前的溫度為25 ℃，相對濕度為30%RH，土壤濕度顯示66%RH，模式顯示為自動模式，DHT11模塊、土壤濕度模塊功能正常運行，能夠正確地獲取當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度、濕度、土壤濕度的實時監(jiān)測功能。而煙霧顯示為1 000 ppm，這是由于煙霧模塊的初始化，其數(shù)值先達(dá)到最大值，再慢慢降下來，所以起初蜂鳴器將進(jìn)行報警，等待片刻，當(dāng)煙霧濃度小于750 ppm 時，停止報警。

2）測試自動模式，當(dāng)土壤濕度傳感器浸沒在水中時，OLED 顯示土壤濕度為53% RH。將土壤濕度模塊拿出水面后，土壤濕度降為0，水泵開始工作，再將土壤濕度放入水中，土壤濕度為72% RH，水泵停止工作。根據(jù)上述測試，自動模式正常工作，系統(tǒng)實現(xiàn)了智能灌溉。

3）測試煙霧超標(biāo)報警，用火機(jī)制造煙霧，此時煙霧濃度顯示為1 000 ppm，蜂鳴器進(jìn)行報警，隨后等煙霧值小于750 ppm 時停止報警。

4）接著用手機(jī)開熱點，使與WiFi 模塊進(jìn)行連接，設(shè)置手機(jī)熱點名稱與密碼，保持與代碼相一致，打開手機(jī)APP，可觀察到接收到來自ESP8286 的數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。將接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)與OLED 顯示的環(huán)境數(shù)據(jù)作對比可知，系統(tǒng)的通信功能測試正常。在APP 上將自動模式切換到手動模式，OLED 顯示屏模式顯示同樣由自動變?yōu)槭謩幽Ｊ健Ｔ谑謩幽Ｊ较拢ㄟ^APP 開關(guān)控制水泵為開啟狀態(tài)，水泵執(zhí)行相應(yīng)操作，系統(tǒng)實現(xiàn)了WiFi通信功能。

按照該文的功能需求，開發(fā)了系統(tǒng)硬件部分，微處理器能夠穩(wěn)定運行，能夠順利采集溫濕度和煙霧數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，同時能夠?qū)?shù)據(jù)通過無線發(fā)送至服務(wù)端。當(dāng)采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，能夠及時按照目標(biāo)自動實時控制水泵澆水，保證土壤濕度在設(shè)定的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一款基于WiFi 通信技術(shù)的智能園林管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對植物生長環(huán)境中溫濕度、土壤濕度、煙霧濃度等參數(shù)自動化采集與傳輸，借助ONENET 云平臺與WiFi 通信技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)的可視化分析及管理，使用戶能夠隨時隨地進(jìn)行系統(tǒng)訪問觀測數(shù)據(jù)，方便及時管理。今后可與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合，打造真正的智慧化智能園林體系。