土壤温湿度智能检测系统设计

梁崴巍，梁 冀（通讯作者），梁 格

（广西民族师范学院数理与电子信息工程学院 广西 崇左 532200）

1 引言

我国作为农业大国，农业的发展状况在某种程度上决定了我国经济社会发展的状况，所以我们国家在一定程度上重视对农业的发展。随着经济社会的高速发展，人们对农作物的产量需求与品质要求在不断地提高，而高产量、高品质的农作物离不开科技与农业相结合。为了保证农作物品质的优秀和高效产能，就必须从作物所处的生长环境来解决实际问题。据研究表明，在农作物生长发育过程中，农作物生长过程中将会受到土壤诸多方面因素的影响，在这些因素之中，对农作物生长影响较大的便是土壤的温湿度，农作物根部的生长与土壤的微生物生长活动直接受到土壤温湿度影响，而且土壤温湿度是土壤中水分运动的诱因，相对于标准温湿度，相对高或者相对低的温湿度都会对农作物的生长产生抑制影响。提高农作物产量的重要手段是控制土壤温湿度在合适的范围内，而控制土壤温湿度在合适范围的重要前提是有效检测土壤温湿度。因此，设计土壤温湿度智能检测系统有重要意义。目前，对于土壤温湿度监测的设备过于简陋，没有完整的土壤温湿度监测系统，而且监测操作过于繁琐。因此，本文设计了一款关于土壤温湿度智能检测系统的项目以缓解问题。本项目设计的土壤温湿度智能检测系统采用ESP8266为主控制模块，利用环境温湿度检测传感器、光照强度检测传感器以及外围电路实现将土壤温湿度、光照强度情况传送到显示模块OLED上进行数据显示系统[1]。

土壤温湿度智能检测系统具有体积小巧，操作较为简单、高效，而且能够通过Wi-Fi技术来实时监测土壤环境、数据实时传输且数据精确极高的特点，而且可以通过手机APP查看数据分析，极大程度上方便了种植户对农作物生长环境的了解，使得种植户能够根据检测数据，做出相对应的改善措施，达到改善农作物的生长环境、提高农作物的产量以及品质的目的。因此，温湿度土样智慧检测系统可以广泛应用于对土壤温湿度要求极高的花果种植，以及反季节蔬菜水果等农业种植。相比之下，旧版温湿度监测系统只能通过实地考察实际情况，进行经验性相关观察测量，精确度相对不精确[2]。本项目所设计的土壤温湿度智能检测系统，从技术上解决了旧款温湿度监测系统含有的一些缺陷，如实现Wi-Fi技术实现无线通信，数据可以通过手机APP进行查看，可以清晰地看到数据的具体情况、数据的均值，而且与之前的检测仪器相比，改良过的检测仪器测量实时准确度会达到更高。

2 系统功能简介

图1为土壤温湿度智能检测系统的基本架构。由图1可知，土壤温湿度智能检测系统主要由四个部分组成。第一部分是土壤温湿度智能检测系统的控制中心-ESP8266，控制着整个系统各个模块，按照系统运转的需要，有序地发出相应的指令，协调着各模块之间的相互通信，使得本系统有条不紊地开展各项工作。第二部分是土壤温湿度智能检测系统的环境传感器数据的采集，本系统采用传感器DHT11采集环境温湿度，传感器BH1750采集光照强度，温度传感器DSB18B20和土壤湿度检测模块检测土壤温湿度。第三部分是土壤温湿度智能检测系统的数据显示部分，数据显示部分利用OLED液晶显示屏，通过手机APP通信，以便用户实时获取农作物土壤的温湿度、光照强度以及环境温湿度。第四部分是土壤温湿度智能检测系统的云服务器部分，云服务器部分采用巴法云平台，巴法云物联网平台支持多模式的数据交互，满足不同开发者的需求，并且协议规范，适用于各种平台服务全兼容。主控芯片ESP8266通过MQTT连接巴法云服务器，实现数据的交互，功能检测模块将检测数据传到主控芯片，再由主控芯片与云服务进行数据的衔接，最后通过OLED和APP进行显示。

图1 土壤温湿度智能检测系统的基本架构

3 硬件设计思路

图2 为本设计的硬件原理图，土壤温湿度智能检测系统在硬件设计上主要由主控电路、电源电路、显示电路、复位电路、传感器电路、下载电路、备用电路等7个部分组成，在硬件电路实现上利用WiFi技术实现无线通信。其中，ESP8266主控模块在接收到温湿度传感器采集到的数据信息，上传至OLED液晶显示屏和手机APP，用户可通过OLED液晶显示屏查看土壤温湿度的数据信息，也可在手机终端使用项目自主设计的APP查看相关信息，该APP上的数据信息与OLED液晶屏上的数据能够实时同步。

图2 硬件设计原理图

4 软件设计方法

图3为软件设计流程图，当开始启动开关，网络便会进行连接，网络连接成功之后，传感器D H T11环境温湿度采集模块、传感器B H1750采集光照强度采集模块、温度传感器DSB18B20和土壤湿度检测模块进行初始化动作，紧接着各模块进行数据的读取，最后传输送到巴法云平台。使用期间，检测数据会根据检测环境变化情况不断进行数据的更新。本设计智能温湿度检测系统在软件设计上，其采用的是Arduino IDE进行编译，以巴法云平台作为其载体，通过E S P8266读取传感器数据并上传至巴法云平台[3]。巴法云物联网平台采用前后端分离的设计思想，致力于攻克高性能的异步并发的物联网端服务器，保证了低功耗下数据的完整性和准确性。巴法云物联网平台支持多模式的数据交互，能够满足不同使用用户的各种实际需求，并且该网络平台协议规范，能够适用于各种平台服务全兼容。

图3 软件设计流程图

5 实物展示与测试情况

5.1 实物展示

图4是土壤温湿度智能检测系统实物图及其具体使用情况，接通开关连接电源，系统会通过液晶屏展现检测、连接的情况。左边液晶屏是连网接通情况分析，会显示该部分系统是否连接成功，显示“接通成功”，则说明系统已经开始运作，功能开始实现；中间和右边部分都是对节点数据检测实时情况的具体分析，显示出实时环境中土壤实际温度数值、环境温度实际的数值、环境湿度的实际所占百分比以及光照强度的情况；手机部分是通过互联WIFI技术实现APP数据监测实时情况，各节点数据会一一罗列出来，包括实时环境中土壤实际温度数值、环境温度实际的数值、环境湿度的实际所占百分比、光照实际强度的情况。手机APP检测过程中对数据进行整体分析，进一步测量计算他们各个部分的节点平均数值的情况。

图4 系统实物图

5.2 测试情况

经过多次对土壤温湿度智能检测系统进行相关测试，最终其检测结果显示，监测系统已经能够达到预期目标，能够较为精确地检测到想要测量的数据，土壤温湿度智能检测系统中传感器DHT11能够准确地采集到外部环境的实时温湿度，传感器BH1750也能够顺利采集到实时光照强度，同时温度传感器DSB18B20和土壤湿度检测模块可以正常运行，检测到土壤的温湿度。各个节点数据可以通过OLED液晶显示屏进行显示，通过手机APP通信实现Wi-Fi技术，能够使用户获取农作物实时情况，包括土壤的温湿度、光照强度以及环境温湿度。手机APP端经过联网不仅可以清晰地展示节点数据情况，而且可以根据数据节点的情况分析其平均数据，使得检测数据更加精确。当然，其测量数据也会随着环境情况变化而发生变化，进行不断地更新加载，以及数据检测分析。

6 总结

结合当下智慧型农业进行研究，本文设计了一款关于土壤温湿智慧型检测系统[4]。此系统在硬件设计上主要由主控电路、电源电路、显示电路、复位电路、传感器电路、下载电路、备用电路等七个部分组成。其中，ESP8266主控模块在接收到温湿度传感器采集到的数据信息上传至OLED液晶显示屏和手机APP。在软件设计上，其采用的是Arduino IDE进行编译。利用Wi-Fi技术实现无线通信，完成数据采集后传输至OLED液晶显示屏和手机APP，用户可通过OLED液晶显示屏查看土壤温湿度的数据信息，也可在手机终端使用项目自主设计的APP查看相关信息，该APP上的数据信息与OLED液晶屏上的数据能够实时同步。经过实际电路测试，功能实现已经完成，土壤温湿度智能检测系统可以正常进行运作，达到理想效果。