开源硬件Arduino与乐联网的农业环境实时监测系统*

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(1.青岛科技大学 机电工程学院，青岛 266061；2.山东省高分子材料先进制造技术重点实验室)

引 言

农业生产环境复杂多变，传统农业生产过程对各项参数全凭经验进行模糊处理，农作物的生长环境参数无法实时监测及追溯，不利于精准农业的推进。尽管在实际监测工作中已有很多环境参数监测系统，但此类系统大多需要在各监测节点之间组网，将数据汇总至本地服务器后上传广域网，需开发配套的上位机软件系统复杂，可拓展性差，不利于远程实时监测。同时，系统线路铺设复杂，在湿度高、光照强的环境中使用极易使线路老化，缩短使用寿命[1-3]。为解决上述问题，本文提出基于Arduino、ESP-01S和乐联网的环境参数实时监测设计方案，本方案将各监测节点采集的环境参数通过数据透传直接上传乐联网，结构简单，扩展性好。系统现已完成可靠性试验，即将投入农业环境参数的监测中使用。

1 环境监测系统总体设计

环境参数监测系统按功能分为三部分：数据采集、数据记录及云端上传、数据实时监测与导出，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

① 数据采集。此部分包含温湿度传感器、光照强度传感器及时钟模块，是系统的参数感知层，Arduino读取传感器传回的电信号并将其转换为环境参数。

② 数据记录及实时上传。此部分实现了数据存储、转发，是本系统的核心。系统根据时钟模块提供的时钟，每两分钟上传一次数据至乐联网服务器，每30 min系统存储一次数据至Micro SD卡。

③ 数据实时监测与报警。管理员可通过观察监测系统的LCD或通过手机等互联网设备获取实时数据。乐联网提供了参数超差提醒功能，用户可以对特别关注的参数定义报警区间，一旦检测到该参数超差，乐联网会自动发送短信或微信消息通知用户。

2 系统硬件设计

2.1 主要元件及电路搭建

① Arduino UNO R3。

② ESP-01S WiFi模块。

③ DHT22温湿度传感器。

④ GY-30 光照强度传感器。

⑤ LCD5110。

⑥ DS3231 时钟模块。

⑦ Micro SD卡模块。

⑧ AMS1117-3.3 V降压模块。

硬件电路连接图如图2所示。

图2 系统硬件构成及连接

2.2 Arduino UNO R3

本系统的控制器选用Arduino UNO R3。 Arduino是一种开源硬件，用户可从开源网站上获取丰富的第三方库和示例程序，实现快速开发。Arduino UNO的微控制器核心是ATmega328，该处理器核心有14个数字输入/输出端口，其中6个可作为PWM输出，6个模拟输入端口[4]。Arduino支持标准串口通信、SPI通信以及I2C通信，这使Arduino传感器的选择范围大大增加。

2.3 ESP-01S

ESP-01S是一款低功耗UART-WiFi模组，用户可通过AT指令将设备接入互联网。该模块使用ESP8266微型MCU作为核心芯片，模块集成有板载天线，支持IEEE802.11 b/g/n协议，完整的 TCP/IP协议栈。Arduino通过串口与ESP-01S通信，波特率为115 200，能高效地将数据发送至互联网。由于ESP-01S的工作电压为3.3 V，本系统使用AMS1117-3.3 V将Arduino输出的5 V电源降压后为模块供电。ESP-01S接入Arduino前，使用串口调试工具对其进行工作模式配置：

① 将ESP-01S预设为SoftAP+Station模式，并将此配置保存到Flash。管理员如需变更WiFi名称密码，只需用手机接入ESP-01S发射的WiFi热点进行配置，无需再次编程烧录，配网界面如图3所示。

图3 网络配置界面

② 将ESP-01S与乐联建立TCP透传。透传即透明传送，整个传输过程中不对数据进行二次加工，即不加密、不分组、不编码等，信息原封不动地到达数据接收端。ESP8266芯片提供了保存透传到Flash指令，将透传模式及建立的TCP连接保存在Flash区域，重新上电时自动建立与乐联网的TCP透传连接。

2.4 LCD5110

本系统选用LCD5110作为参数实时显示单元，其芯片核心为Philips PCD8544。PCD8544是低功耗CMOS LCD控制驱动器，芯片上集成所有的显示功能，通过SPI总线与Arduino通信，传输速度快。LCD5110内置背光，拥有52×52像素分辨率，可显示6行西文字符，单屏即可显示所有信息[5-6]。该屏幕驱动电压位宽，耗电量低，价格低廉，适合作为本系统的显示器。

2.5 DHT22温湿度传感器

DHT22温湿度传感器集成了一个NTC测温元件和一个电容式感湿元件，与8位单片机连接，该传感器具有响应速度快、性价比高、抗干扰能力强等优点。传感器采集数据过程中调用内部储存的校准系数进行校正，测量精度高。传感器采用单总线输出，与Arduino连接简单、传输距离远。

2.6 GY-30光照度传感器

GY-30数字光强传感器通过I2C总线接入Arduino。I2C总线是一种多主机总线，可以灵活拓展传感器数量，如需增加传感器，将从端设备时钟线、数据线连接在一起，通过访问不同的地址即可读取目标传感器[7]。GY-30拥有接近视觉的光谱灵敏度特性，测量范围为1～65 535 lx，受红外线影响小。GY-30提供了三种测量模式，分别为高分辨率模式1、高分辨率模式2和低分辨率模式。本系统采用高分辨率模式2，此模式下采集的数据可抑制部分噪声，数据采集精度高。

2.7 Micro SD卡读写模块

该模块与Arduino通信方式为SPI总线通信，MISO、MOSI、SCK为SPI总线。通过文件系统及SPI接口驱动程序，Arduino即可完成对Micro SD卡的文件的读写。该模块内置电平转换电路，接口电平支持5 V和3.3 V。 Arduino IDE提供了SD卡读写库，用户可方便的在SD卡上创建、读取、更新、删除文件。本系统设定的数据存储间隔为30 min，存储格式为逗号分隔符格式(Comma-Separated Values, CSV)，用此格式存储数据，可直接用EXCEL打开。

2.8 DS3231时钟单元

DS3231是高精度的I2C总线实时时钟，工作温度宽，内部集成的温补晶振和晶体使得DS3231的计时精度高达±2分钟/年。此模块内置的电池可以使时钟在断电情况下仍保持运行，是系统理想的时钟单元。

3 系统软件设计

3.1 程序流程

系统上电后首先初始化各传感器、时钟、各总线及串口。同时ESP-01S自动与乐联平台建立透传连接，WiFi接入点信息及透传建立命令存储于ESP-01S Flash中，无需Arduino再对其发送指令控制，节省了Arduino的内存开销，提高了程序循环效率。程序采用轮询方式判断是否需要上传数据及记录数据到Micro SD卡。程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

3.2 Arduino关键程序

本系统有两个关键子程序：

① 向服务器发送数据。我们定义一个函数PostData()完成数据推送。其中，全局变量temp、humi、light分别存储当前温度、湿度及光照强度数值。在数据包透传过程中，要使用大量字符串，但Arduino UNO只有2 KB主存储器(SRAM)空间，字符串使用过多导致系统动态内存不足，运行不稳定，本程序对字符串存储进行了优化，将字符串存储于Flash中，程序执行时自动从Flash中调用字符串，大大节省了内存空间[8]。源程序如下所示：

void PostData() {

Serial.print(F("{"method":"update","gatewayNo":"01","userkey":"af5c50f620"}&^! "));

Serial.print(F("{"method":"upload","data":[{"Name":"TEMP","Value":""));

Serial.print(temp);

Serial.print(F(""},{"Name":"HUMI","Value":""));

Serial.print(humi);

Serial.print(F(""},{"Name":"LIGHT","Value":""));

Serial.print(light);

Serial.print(F(""}]}&^! "));

}

② 向Micro SD卡中存储当前各参数及时间。我们编写了函数dataLog()来完成数据存储，每天新建一个文件存储当天数据，以日期作为文件名。程序首先改变标志位recordFlag，避免了同一分钟内数据记录多次，随后使用逗号分隔符格式向文件写入表头，最后写入各项参数。源程序如下：

void dataLog() {

recordFlag = tm.minute();

pinMode(CS_PIN, OUTPUT);

StringlogFileName;

logFileName = String(tm.month()) + "-" + String(tm.day()) + ".csv";

SD.begin(CS_PIN);

//向新创建的文件写入表头

if (SD.exists(logFileName) == 0 ) {

FiledataFile = SD.open(logFileName,FILE_WRITE);

dataFile.print("DATE");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Time");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Humidity");

dataFile.print(F(","));

dataFile.print("Temperature");

dataFile.print(F(","));

dataFile.println("Illuminance");

dataFile.close();}

FiledataFile = SD.open(logFileName, FILE_WRITE);

dataFile.print(sDate);

dataFile.print(F(","));

sTime=String(tm.hour())+":"+String(tm.minute());

dataFile.print(sTime);

dataFile.print(F(","));

dataFile.print(humi);

dataFile.print(F(","));

dataFile.print(temp);

dataFile.print(F(","));

dataFile.println(light);

dataFile.close();

}

4 测试结果分析

数据实时监测：经测试，环境参数上传稳定，无丢包。使用电脑或微信访问乐联网即可查看各参数实时数据、历史走势、数据分布等，图5给出乐联平台微信端实时数据查询界面。

图5 实时数据查询

历史数据导出:管理员可登陆乐联平台进入下载历史数据导出界面，选择时间段导出数据，也可使用读卡器读取本地的Micro SD卡导出历史数据。本系统存储的数据可直接在Excel中操作，管理员可利用Excel高效地对采集的环境参数进行统计学分析,如图6所示。

图6 导出数据并分析

数据采集精度：本系统测得的环境参数值与温湿度计、光照度计测试结果非常近似，达到了预期要求，精度完全满足农业监测需求。

结 语

参考文献

[1] 李岩. 基于Arduino与LabVIEW的农作物生长环境检测系统的设计与实现[D]. 滁州:安徽科技学院，2017.

[2] 毛敏, 马艳. 基于Arduino和Labview的蔬菜大棚温湿度监测系统[J]. 中国仪器仪表，2017(9)：65-68.

[3] 朱晓雷. 基于单片机的温室环境数据监测系统的设计[D]. 呼和浩特:内蒙古农业大学，2015.

[4] 张亮. 轻松玩转Arduino[M]. 北京：电子工业出版社，2016.

[5] 蒙克. Arduino编程指南：75个智能硬件程序设计技巧[M].张家进，译. 北京：人民邮电出版社，2016.

[6] 宋楠，韩广义. Arduino开发从零开始学—学电子的都玩这个[M]. 北京：清华大学出版社，2014.

[7] 马格里斯. Arduino权威指南[M].2版.杨云坤，译. 北京：人民邮电出版社，2015.

[8] 赵英杰. 完美图解Arduino互动设计入门[M]. 北京：科学出版社，2014.