基于Arduino和WiFi的温室监控系统

陶冶

摘 要：文中系统融合Arduino单片机，温度、湿度、光照强度等环境因素相关传感器，ZigBee无线通信和手机APP，设计一种切实可行的温室大棚环境监测系统。结合简单易懂和高效合理的硬件设计，该系统总体结构简单、成本低、效率高、运行可靠，具有非常好的应用前景。

关键词：Arduino单片机;温度;湿度;WiFi;ZigBee;APP监测

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-02

0 引 言

随着现代农业科技的改革与发展，温室大棚因其涉及范围广、科技含量高、与人们生活密切相关等，已成为各国农业飞速发展的必要条件。实现温室大棚环境监测，实时监测大棚内温湿度和光照等环境因素是否稳定，各环境因素是否在植物可接受范围内[1]，最终达到植物生长所需的最佳环境因素。

本文系统将Arduino單片机、各类环境因素相关的传感器、ZigBee无线通信和手机APP开发相融合[2]，设计一种切实可行的温室大棚环境监测系统。该系统能够符合不同地域的气候特征，使得温室大棚内的环境参数都能符合植物正常生长的条件，且总体结构简单，便于应用。

1 系统总体方案

1.1 方案设计步骤

本文方案具体实施步骤如下：

（1）本文设计由温度、湿度和光照强度传感器、Arduino主控芯片、WiFi模块、传感器和手机APP组成，主要实现温室大棚中温湿度和光照信息采集、数据处理、数据传输及数据查看功能[3]。

（2）调试温度、湿度和光照强度传感器的读值程序。

（3）使结果显示在APP上，每隔500 ms便发送数据到ESP8266，数据以温度|湿度|光照强度的方式传送并显示。

1.2 系统总体框图

系统采用Arduino主控芯片，ESP8266串口WiFi，LM35温度传感器，HR202湿度传感器和BH1750光照传感器，总体框图如图1所示。

1.3 系统整体功能

系统主程序流程如图2所示。电路板通电后，温度、湿度和光照传感器会采集温室大棚的信息并传送至Arduino主控芯片处理。芯片发送数据至ESP8266，ESP8266通过与手机APP通信发送至手机[4]，按下WiFi模块开关，手机通过WiFi模块发出的WiFi信号与模块连接，然后打开手机环境监测系统APP，APP会显示温室大棚实时对应的温度、湿度和光照强度的测试值[5]，实现远距离监测报警功能。

2 系统硬件设计

2.1 Arduino单片机

简单来说，Arduino单片机是一个基于开放和构建原始码的软硬件平台，并且拥有广泛的类似Java与 C语言的编程环境[6]。Arduino简单易懂、操作简单，包含硬件部分各种型号的操作板和软件部分的IDE编程环境。Arduino IDE编程利用基于Wiring的编程语言和Arduino开发环境实现。

2.2 LM35温度传感器

经过对温度传感器性能与安全方面的比较，本文系统选择LM35作为采集温室大棚温度值的传感器。该传感器工作性能稳定，测量精度高，误差较小，额定使用范围广，可直接接电源工作，工作流程如图3所示。

2.3 HR202湿度传感器

经过对湿度传感器性能与安全方面的比较，本文系统选择HR202作为采集温室大棚湿度值的传感器。该传感器可广泛应用于各种测试湿度的环境中，通过电位器调节灵敏度。长期使用性能稳定安全，现已广泛应用于医疗、仓库、工业控制和科研等领域[7]。

2.4 ESP8266 WiFi模块

ESP8266是一款超低功耗的WiFi透传模块，广泛应用于互联网和移动设备的无线连接领域，可实现互联网或局域网的通信。ESP8266能够独立运行，也可搭载在其他扩展版上运行，工作时传输性能稳定，传输距离远。

ESP8266的高速缓冲存储器可减少内存需求，并且可以从主控芯片接收信息，无线传输到所需要的PC端或手机APP等[8]。该模块成本低、体积小、传输速率快，可直接连接Arduino实现数据传输功能，有STA，AP与AP+STA三种工作模式。

2.5 CC2530 ZigBee无线通信模块

CC2530是一种基于IEEE 802.15.4的短距离、低功耗的无线通信模块，具有近距离、低成本、低数据速率与自组织等特点。系统内可编程闪存，主要适用于自动与远程控制领域，可工作在2 400～2 450 MHz的公用频段。通过该模块可使传统的串口设备进行无线连接，主要用于点对点与广播等通信[9]。

3 手机APP制作与显示

E4A是一种专门针对安卓手机APP开发的软件，由开发区与代码区两部分组成。开发区针对手机APP显示界面，代码区针对手机APP的语言编程环境[10]。APP设计界面如图4所示。

4 系统测试结果分析

按照电路图把模块与元器件在网孔板上连接成一个整体，下载好程序后开始测试。得到系统测试值，2个节点通电后，显示当前环境下所采集到的温湿度和光照强度。硬件实物如图5所示。

通过人为改变节点周围温度与光照等条件，系统测试值发生明显变化，并且当温度值高于上限30、低于下限5，湿度值高于上限1 000、低于下限200，光照强度值高于上限800、低于下限10时，都会有蜂鸣器报警与APP界面报警，从而实现温室大棚的环境监测与移动监测报警功能。经过多次测量对比，温度测量值与实际值误差在±0.25 ℃之间;湿度值误差在2%～3%RH之间;光照强度值误差在0.5%～3%lx之间，总体误差较小，测量值较准确。

5 结 语

本文系统经过方案设计、硬件制作、软件开发调试、系统测试等一系列步骤，多个节点都能正常显示采集参数与通信，达到了数据精度要求。手机APP制作成功并安装到手机，通过WiFi模块连接节点与手机，节点间采用ZigBee无线通信传递数据，实现了手机APP上显示温、湿度及光照强度与报警功能。

参 考 文 献

[1]郭翠玲，王华.基于ZigBee技术的温室大棚无线监测系统设计[J].黄冈职业技术学院学报，2017，19（3）：117-120.

[2]徐梓敬.太阳能供电的ZigBee低功耗温室大棚监测系统设计[J].自动化技术与应用，2017，36（2）：75-78.

[3] HUGHES J M.Arduino技术指南[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[4]左现刚，刘艳昌，王建平.基于Arduino和VI的农田信息无线采集系统设计[J].农机化研究，2016（2）：213-217.

[5]杨寅，苏彬.Android手机对Arduino电子原型平台的蓝牙控制机制研究[J].太原学院学报（自然科学版），2017，35（4）：58-61.

[6]李士宁.传感网原理与技术[M].北京：机械工业出版社，2017.

[7]杨桂荣，任士虎.基于物联网的温室大棚智能控制系统总体方案设计[J].现代化农业，2017（5）：51-52.

[8]张培仁.传感器原理检测及其应用[M].北京：清华大学出版社，2016.

[9]王心海，赖文雅.无线传感网在环境监测中的技术研究[J].电脑迷，2018（8）：140.

[10]杨利荣，李伟.基于Android平台的空气质量监测APP的设计与开发[J].科技创新与应用，2016（10）：76.