基于ESP8285的温室环境监测系统设计

王羽徵，刘 丹，于秋玉，毕 海，程 远

(1.大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连 116000;2.中控智慧股份有限公司，辽宁 大连 116000;3.近海(大连)生态发展有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

随着科技的进步和物联网技术的快速发展，传统农业开始以物联网传感器节点实时监测模式取代人工的不定时检查。然而，当前的温室检测传感器大多通过单独铺设数据线路进行数据传输，实施难度大，不利于初级农户发展物联网农业；且大多数农户经营温室数量庞大，使用传统监测传感器节点布设的方式会造成数据汇总难度大，不利于系统管理[1-3]，当前温室监控架构如图1所示。因此本设计采用数字化数据采集以及终端节点的无线数据传输，优化传感器的供电方式，设计并开发了一套以ESP8285为主控芯片的无线多参数数据采集的温室环境监测传感器。该系统具有多点数据采集功能，并结合移动终端实现智能控制，使传统农户以最低成本实现多温室环境的统一监测和统一控制，有效确保农产品的质量以及培育工作的顺利进行。

图1 当前温室环境监控架构

1 系统设计概述

为了实现温室内的无线监测，本系统整体结构包括了三个部分：环境信息采集板、温室环境控制器及人机交互终端，如图2所示。环境信息采集板是本设计的重点部分，其工作原理如图3所示。该采集板可提供监测温室内环境温度、湿度以及光照度等环境信息。系统工作时，传感器节点内置的传感芯片通过IIC总线将收集到的相关数据发送给ESP8285主控芯片进行处理，处理后以UDP报文的方式通过WiFi发送给人机交互模块以及上位机监控中心平台[4-5]。上位机监控中心可将所有相关数据信息传输给任何需要查看的终端上，最终可以实现对大规模温室群进行集中的环境实时数据监测。此外，管理人员也可使用上位机及移动终端向控制模块发送指令，进行远程控制。

图2 系统整体结构

图3 环境信息采集板原理结构

2 无线环境信息采集板设计

目前温室内使用的环境信息采集装置大多为单参数传感器且传感器尺寸较大，为了更加方便地采集环境信息，本文设计了一款多参数集成的环境信息采集板，整体电路由三个模块组成：电源模块、控制及WiFi模块、传感器模块，各模块连接方式如图4所示。

图4 模块连接方式

2.1 传感器模块

温室需要监测的环境信息主要包括：温湿度、光照度、土壤水分、pH值等。本设计通过两颗传感器芯片实现了温度、湿度与光照三个环境信息的监测。温湿度传感器使用HTU21D芯片，光照度传感器使用BH1750FVI芯片。HTU21D温湿度传感器性能参数优秀，具有质量好、体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点[6]。BH1750FVI是一种用于IIC两线式半双工通信总线的数字型光强度传感器集成电路，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化[7]。传感器模块的电路设计如图5所示。

图5 传感器模块电路图

2.2 控制及WiFi模块

目前农业温室用传感器上使用的MCU一般为STM32芯片与AT89C51芯片。为了实现数据的无线传输，本设计选择了成本相对较低且具有无线传输功能的ESP8285芯片作为主控芯片。ESP8285是一款WiFi控制芯片，但WiFi协议栈只占用了其20%的MIPS，且提供了两个IIC数据总线接口可与传感器进行通信。控制及WiFi模块的电路设计如图6所示。

图6 控制及WiFi模块电路图

2.3 电源模块

为了方便添加其他设备，本系统采用24 V的外接电源供电，数据采集板的使用电压为3.3 V。在数据采集板的PCB板上集成了24 V降3.3 V电源模块，使用MP1584芯片作为降压芯片，使PCB板可以在24 V的电源下稳定工作，并可以按需增加摄像头等其他配件。电源模块的电路设计如图7所示。

图7 电源模块电路图

2.4 硬件成品设计

为了方便农业温室内的布设与后期维护，将无线环境信息采集板设计为圆形，并使用E27接口的灯泡外壳作为采集板的外壳，这样可以只在温室内壁放置E27接口灯座，并且布设5 V电缆，就可以方便地实现监测节点的布设。同时灯泡外壳的柔光罩也可以将外界光线柔化，避免了光照传感器读数不准确的情况。如果出现监测节点故障，无法正常工作的问题，可以直接将损坏节点更换为新节点。无线环境信息采集板的安装成品如图8所示。

图8 无线环境信息采集板成品

3 系统软件设计

区别于市面上的传统成品传感器，本设计在采用全新硬件的同时，使用C语言为硬件编写了一套从数据采集到数据整理再到数据发送的完整软件。软件设计包括3个部分：WiFi的连接、传感器芯片数据的获取、数据的整合与发送。环境信息的采集与发送流程如图9(a)所示。首先将每个节点连接到现场布置好的WiFi基站，连接成功后依次从温湿度传感器与光照传感器芯片通过IIC总线获得温湿度数据和光照度数据，本采集板中ESP8285作为IIC通信主机，HTU21D与BH1750作为IIC通信从机，主机发送从机地址加写命令，从机收到后与自身的地址对比，确认匹配后，向主机发送应答指令。主机继续向从机发送对应从机的检测代码加写命令，并等待从机的检测。经过短暂延时，主机发送从机地址并加读命令，从机接收到指令后向主机发送采集到的数据。获得两传感器芯片的测量值后按照芯片手册中的数据转换函数将返回值转换为真实值，经过合并处理后通过UDP报文发送给远程监控中心或移动终端。通过这一软件流程，可以实现高效率的环境信息实时获取功能。温湿度与光照度数据获得流程如图9(b)所示。

图9 程序流程图

4 系统测试

4.1 实验调试

在按照电路图焊接好无线环境信息采集板后，使用Eclipse软件将工程文件通过串口烧录至控制芯片内。完成后同时按住S1、S2两个按钮并通电进入SmartConfig模式(ESP8285内置的无线网络远程配置功能)，使用手机端APP进行无线环境信息采集板的无线设置，无线网络配置如图10(a)所示。配置成功后板载LED灯LNK进入常亮状态，此时无线环境信息采集板开始进入环境信息读取与无线发送状态。使用手机端的Blynk软件来接收无线环境信息采集板发送的数据，数据接收界面如图10(b)所示。

图10 实验阶段调试界面

4.2 实地测试

本设计完成初步调试后，在辽宁省大连市绿鑫樱桃种植基地进行了实地测试，挑选典型温室进行现场试验，在温室里搭设4个监测节点。与实验室调试相同，进入SmartConfig模式后使用手机APP远程配置，连接在现场架设好的无线网络基站。然后使用Blynk软件进行监测，监测结果如图11所示。

图11 现场测试监控界面

5 结论

目前物联网在农业方面应用广泛,但温室内由于环境复杂，通信线路架设困难，且在大规模温室群中，将会有大量的传感器节点。本设计使用ESP8285无线控制芯片实现了温室内监测节点收集到的数据通过无线网络进行传输，同时使用HTU21D和BH1750FVI进行温室内温度、湿度及光照度的信息采集，采集到的环境信息通过IIC总线传输给ESP8285无线控制芯片，经过处理后通过WiFi远程发送给数据处理中心，在一定程度上提高了多节点环境信息实时通信的可靠性，解决了目前温室内数据传输布线困难以及多温室节点数据通信难以实现的问题。