基于Arduino控制板的蔬菜大棚环境参数无线采集系统

张烨

摘要：针对现代化农业蔬菜大棚生产过程中需要对大棚的环境信息进行采集和处理，以便为农户的决策服务，设计了基于Arduino控制板的大棚环境信息无线采集系统。系统使用基于AVR单片机的Arduino控制板作为采集控制设备，实现对大棚的温度、土壤温湿度、光照等特征信息的采集、显示、存储及监测报警等功能。适用于对精细化农业生产过程中的信息采集等场合。

关键词：Arduino控制板；传感器；无线模块；数据采集

中图分类号： N945；TP274+.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0439-04

实现农业的现代化是我国发展的一个重要目标，而精准农业又是目前农业发展的大趋势，代表了未来农业的发展方向。随着我国城市化进程的推进，会占用大量的可耕地，我国的国情又是人多地少，需要大幅度提高土地的生产效率，才能产出更多的粮食，达到保证我国的粮食安全的目的。近几年快速发展的物联网技术为实现我国农业的精细化生产提供了可能。我国已经把“农业物联网”纳入到“十二五”“863”计划中，可见国家对其的重视。

温室大棚是我国北方农业中非常普遍的农业生产设施，为我国人们的“菜篮子”作出了很大贡献，使大家在寒冷的冬天也能吃到丰富多样的夏季时令蔬菜。但是，温室大棚的生产设备普遍简陋，大部分还是完全依靠人工来进行监控和操作，而且几乎也没有什么监控设施，严重影响蔬菜大棚的生产效率，造成了产出投入比低下的情况。冬天菜农最关心的是大棚内的光照度与空气及土壤的温湿度，因为这些信息对植物的种植和生长有非常大的关系。如果能够实时监控这些关键信息，对提高蔬菜大棚的生产效率、增加菜农的收入、降低菜农的劳动强度及提高蔬菜种植的自动化程度非常有帮助。

目前有不少关于蔬菜大棚环境信息采集的文献[1-13]，如文献[1]提出了基于LabVIEW的蔬菜大棚监控系统，分布放置的传感器将温湿度、光照度和气体浓度等环境参数变换成电信号，经处理上传至PC机后，上位机软件采用LabVIEW编写，具有直观效率高的特点，但该系统需要进行现场的布线是一大缺点。文献[2]提出了基于ZigBee技术的农田信息服务系统，该系统结合基于32位单片机和数字信号处理器的嵌入式移动终端及WebGIS农田信息管理系统来获得各种农田信息。文献[3]提出了基于CC2533的ZigBee和ARM处理器的蔬菜大棚环境数据采集系统，实现了和3G无线通信进行数据的远程传输。文献[4]提出了基于 ZigBee 技术通过对传感器节点、协调器节点、路由器节点和终端控制器的硬件和软件设计，解决了传统蔬菜大棚中布线难、节点移动性差和系统可扩展性差等问题，满足了蔬菜大棚中环境参数自动监测的需要。

本研究结合我国北方蔬菜大棚的发展状况和特点，也为了推进我国精细化农业的信息化发展水平，结合嵌入式技术和无线传输模块，设计了基于Arduino控制板和无线数据采集和传输的温室大棚环境信息的无线采集系统。系统主要包括环境信息如空气的温度、湿度及光照度，土壤的温度、湿度等信息的采集处理模块，无线传输模块，上位机显示。

1 系统整体设计

系统由Arduino Meag2560控制板、土壤温度和湿度传感器、空气温湿度传感器、光照度转换模块和无线数据传输模块组成，其中Meag2560控制板是系统控制中心，负责把采集上来的数据按照定义好的通信协议发送给上位机，数据主要包括温室土壤的温湿度、温室空气的温湿度和光照度等。系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 Arduino Mega 2560控制板

Arduino是一款包含硬件和软件的开源电子原型平台，有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境，有大量的经过封装的函数和大量的传感器函数库，非常方便和各类传感器（温度、压力、速度、倾角等）进行对接。通过传感器来感知环境进而控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。

本系统使用的Arduino Mega 2560为控制核心，是Arduino USB接口系列的最新版本，核心处理器是ATmega2560，具有54路数字输入/输出口（16路可作为PWM输出），6路模拟输入，4路UART接口，1个16 MHz晶体振荡器，1个USB口，支持I2C和SPI通信协议。

2.2 土壤温湿度数据采集

土壤温度数据采集模块采用TC77，该温度传感器特别适用于低成本和小尺寸应用场合，并具有串行通信数字接口。工作时TC77仅消耗250 μA（典型值）的电流，因此成为在不同系统中实现温度管理的理想选择（图2）。温度对照表如表1所示。

土壤水分采集部分采用FC-28模块，使用工作稳定的LM393芯片，非常适用于对土壤的水分检测。通过滑动电阻的调节可以控制土壤水分的阀值，对土壤水分的控制范围很大，当土壤水分高于设定值时，输出LOW；低于设定值时，输出HIGH（1）。其结构如图3所示。

2.3 光照度模块单元

光照度用单位垂直面积所接受的光通量表示。光敏二极管把可见光强度大小转换为电信号进入单片机系统，然后根据温度感应对光信号进行温度补偿后输出精确的线性电信号。

本单元采用GY-30模块作为光照度监测。该模块内置16B AD转换器，光照度范围的0～216-1 lx，并带有I2C总线硬件接口，方便和控制器进行连接（图4）。模块引脚表示如表2所示。

2.4 空气温湿度传感器模块

空气温湿度传感器模块采用RHT03-A，该模块是一款单接口芯片的温湿度模块。其内部自带有上拉电阻，一般不需要接外部上拉电阻，具有传输速度快、测量准确及连接方便等优点。适合于对温湿度的精度要求较高的场合，如环境测量等，其和控制板的连接图如图5所示。

RHT03温湿度传感器采集的数据组成见表3。

校验和为前面4 b的数据和的低8位数据。例如读到的数据为Hex：01B8：02A5：60，则

湿度=44.0%。温度=（677-400）/10=27.7。温度的单位为℃，此数据有40 ℃的正偏移，需要在数据中减去偏移量40.0 ℃，本温度数据没有符号，如果读到的数据为400以下则为负温度，为0表示-40.0 ℃，校验和为01 h+B8 h+02 h+A5 h=160 h，取低8位数据即为60 h。

2.5 无线数据收发模块

APC220模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，内部嵌入了高速单片机和高性能射频芯片。采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24 b连续突发错误。提供多频道的选择，可在线修改串口速率、发射功率、射频速率等各种参数。能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时具有体积小、宽电压运行，能够传输较远的距离，空旷地带可达 1 000 m 的优点，另外还具有丰富便捷的软件编程设置功能，应用的领域非常广泛，设置界面如图6所示，和系统连接示意图如图7所示，系统整体结构图如图8所示，环境信息采集终端实物图如图9所示，串口调试界面如图10所示。

3 系统软件设计

3.1 底层软件设计

底层软件使用Keil c开发，该软件是基于C语言的集成开发环境（IDE）。

程序主要包括大循环、各种传感器数据的采集和转换子程序，串口收发程序等。发送数据间隔5 s，采用自定义数据帧格式，每帧以0xFB开头，0xFE结束，具体数据帧格式如表2所示，数据帧格式如表3所示，程序流程图如图11所示。

3.2 上位机软件设计

上位机的控制软件采用VB 6.0编写，通过采集终端将采集来的环境信息数据按照通信协议经由无线发送模块发给上位机，经过数据接收和处理由相应的显示控件进行实时显示，同时把数据存入数据库。主界面显示如图12所示，温度曲线图如图13所示。

4 结束语

本研究基于Arduino控制板的温室环境信息无线采集系统，能够采集温室大棚环境中的温度、湿度、空气的光照度等环境信息，应用于对精细化农业的种植。系统具有操作方便、简单、抗干扰性强的特点，具有较高的推广使用价值。

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[4]李玮瑶，王建玺，王 巍. 基于ZigBee的蔬菜大棚环境监控系统设计[J]. 现代电子技术，2015（12）：51-54.

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