基于WiFi的智能园林管理系统设计与实现

魏佳敏，常新峰

（平顶山学院信息工程学院，河南平顶山 467000）

面对全球范围内的环境污染、空气阴霾问题，建造城市人工绿化园林是改善自然环境的有效措施，但在园林管理方面，我国仍处于相对落后的地位，尚未形成完善的园林管理系统[1]。当前我国园林管理多以人工方式进行管理，城市园林养护和监督管理工作中的问题日益突出，传统方式已不适应园林建设发展速度。因此对智能园林管理系统的研究是十分迫切的，为提升园林管理效率，该文融合嵌入式技术、传感器技术和WiFi 通信技术，设计和开发一款基于WiFi的智能园林管理系统。

1 系统总体设计方案

该智能园林系统以STM32F103C8T6 单片机作为核心控制器，采用WiFi 通信完成远程传输[2]。该系统由采集与控制端，数据传输端以及远程监控信息端组成，分别对应于物联网三层体系架构的感知层、网络传输层以及应用管理层[3]。

采集与控制端由温湿度模块，土壤湿度模块以及烟雾模块等构成，实现不同环境数据的采集，并将数据传递给主控模块。系统选用七针的OLED 屏作为显示模块，蜂鸣器作为报警模块，及采用继电器控制水泵来实现控制模块。

数据传输端主要由ESP-8266WiFi 模块及ONENET云服务器构成。WiFi模块通过串口AT指令与单片机通讯，实现数据传输端与采集控制端的数据交互。基于EDP 协议，将主控模块整理打包的数据通过WiFi发送至ONENET 云平台。

远程监控端主要通过客户端APP 实现。一方面，数据通过云平台的储存和转发到手机APP，实现数据的可视化监控。另一方面，用户可通过手机APP 下发命令，经云服务器转发后，由硬件设备进行命令解析与响应，实现远程控制。

智能园林系统的总体框图如图1 所示。系统可完成各项环境参数的采集，实现阈值的设置及环境参数的管控、数据的远距离无线传输以及用户实时的控制操作。

图1 系统框图

2 硬件设计

系统由主控模块单片机、电源电路、数据采集电路、WiFi 通信电路以及显示电路构成。电源电路为该系统供电，显示电路用于显示各环境参数的数值和当前模式[4]。传感器数据采集电路由温湿度、烟雾浓度、土壤湿度等模块构成，用于检测对应的环境参数，获取相应的信息。WiFi 通信电路用于实现传感器部分采集的数据与云平台之间的交互。

2.1 STM32单片机

智能园林系统选用STM32F103C8T6单片机作为主控模块，其适用的温度在-40～85 ℃，适用范围较广，性能稳定。该系统选用3.3 V电压，单片机的I/O口数量适中，在进行合理的部署与设计下，可以很好地满足该系统的需求。单片机最小系统是保证单片机工作的基础，其最小系统电路图如图2所示。通过传感器模块、显示模块、通信模块连接，可实现智能监测控制[5]。

图2 STM32F103C8T6最小系统电路图

2.2 数据采集电路

数据采集电路可细分为温湿度、土壤湿度、烟雾浓度采集电路。

温湿度信息采集选用DHT11 模块，温湿度的精度及可测试的范围均可满足该系统的需求，DHT11的测温、测湿功能分别由其内部的NTC 测温元件和电阻式感湿元件来实现。它们获得温度和相对湿度的模拟量后，经内部的AD 转换器转换成数字量，由单线串行接口发送到单片机。将DATA 数据口接单片机PB11 口，另外两个引脚分别与VCC 与地进行相应的连接，为DHT11 供电。接口电路如图3所示。

图3 DHT11接口电路图

烟雾浓度采集电路选用MQ-2 烟雾传感器。在该系统中，采集该模块的模拟量输出，即选用AO 模拟电压输出端，使其与单片机的ADC1 通道5 相连，即PA5 引脚。TTL 电平输出引脚（DO 引脚）做悬空处理。由于MQ-2 中气敏材料的特点，当烟雾浓度变大时，电导率相应的变大，输出电阻的阻值也会相应的越低，从而MQ-2 模块输出的模拟信号也会随之变大，主控芯片进而通过模数转换实现数据的收集。烟雾传感器模块接口电路图如图4 所示。

图4 烟雾传感器接口电路图

该系统中采用YL-69 型土壤湿度传感器来进行土壤湿度的检测，其原理是将土壤作为一个可变电阻。利用两个插片连接这个可变电阻，当土壤湿度大时，该电阻值会减小，反之，电阻值会变大。对应湿润度的标定，选用输出电压的模式，通过接入单片机将模拟量输入，进而转换成相应的数值。将传感器AO 引脚其与单片机PA4 相连，进行模数转换，并根据一定的算法得出当前的土壤湿度。其接口电路原理图如图5 所示。

图5 土壤湿度接口电路原理图

2.3 显示电路

该系统显示模块选用0.96 寸七针OLED 显示屏，由于其自发光的特点，不再添加背光。其显示区域为128×64 的点阵，具备小巧轻便、显示效果清晰、耗电较低、对比度高的特点[6]。模块共有七个管脚，采用SPI 方式驱动OLED。硬件设置上1-7 脚分别接单片机的PB12、PB14、PA8、PB15、PB13、电源和GND[7]。接口电路原理图如图6 所示。该部分用来显示各数据参数，以及手动/自动模式的状态。

图6 OLED显示屏接口电路图

2.4 WiFi通信电路

远程数据监控终端与数据传输端进行交互时，起关键作用的就是无线通信模块部分。该系统用ESP8266WiFi 模块与ONTENET 平台进行通信。且其价格低、稳定性高、串口速率可达4 Mbps。ESP8266WiFi 模块可支持高性能的无线SOC，可通过AT 指令快速上手，并且支持STA、AP 以及AP 和STA 共存的三种工作模式。

该设计中，从以上的工作模式中选择STA 模式作为WiFi 模块的工作模式，完成手机与通信模块之间的数据通信。通信模块与单片机之间通过串口来相互通信，单片机会将采集到的各种环境数据进行打包，并用串口传输的方式上传到WiFi 模块[8]。数据由WiFi 模块根据EDP 协议将环境数据转成相应的格式发送到云平台，消息类型选择SaveData 类型，消息子类型采用JSON 格式串[8]。通信模块的RX、TX 口分别接单片机的PA3（TXD）口和PA2（RXD）口，WiFi模块电路接口电路图如图7 所示。

图7 ESP8266电路原理图

3 软件设计

3.1 系统终端程序设计

软件设计的主要任务：STM32 单片机使用单总线获取DHT11 模块采集到的温湿度大小，通过DMA双ADC 接口来连接烟雾浓度模块、土壤湿度模块，在采集到传感器的模拟量后，通过算法得到烟雾浓度和土壤湿度的值。当烟雾浓度超标时，驱动蜂鸣器进行报警。使用USART2 串口进行单片机与WiFi模块的通信，然后将采集到的环境数据上传到ONENET 物联网云平台上，云平台下发手机APP，从而进行数据的可视化显示，同时可以在APP 界面进行一些控制命令的下发，如管理系统的模式设置及水泵的运行[9]。主程序流程示意图如图8 所示。

图8 主程序流程示意图

软件部分总体工作流程如下：

1）初始化系统及各个模块的设置：系统时钟的初始化、串口USART1 的初始化、定时器TIM2 及TIM3 初始化以及OLED 显示屏、DHT11、ADC、土壤湿度与烟雾模块的初始化[10]。

2）WiFi 通信模块初始化：WiFi 模块I/O 初始化及复位、将ESP8266 模块的命令收发模式设置为STA、通过STM32 发送相关的AT 指令、控制WiFi 通信模块连接上路由器[11]。

3）接入云平台：若连接成功，就将单片机采集到的环境数据每2～3 s 一次通过WiFi 模块发送到ONENET 云服务器，并更新数据到OLED 显示屏上。

4）手机端APP 可以控制系统的运行模式，在手动模式下，可通过APP 下达水泵的开启与关闭命令，执行相应的动作。在自动模式下，系统根据设置的土壤湿度范围进行自动调整，当土壤湿度小于20%RH 时，立刻打开水泵浇水的，在土壤湿度大于35%RH 时，进行关闭水泵的操作。

3.2 温湿度模块子程序

首先，进行DHT11 的初始化，配置PA11 引脚的模式，将其配置为推挽输出模式，而后根据模块的时序图进行相应的配置。由于总线空闲状态为高电平，所以将PA11 引脚拉高。接着进行DHT11 的复位操作，设置DHT11 的I/O 口为输出模式，配置为拉低至少18 ms，接着再拉高20～40 μs，在这段时间内等待DHT11 的回应，这时需要改变I/O 口为输入模式，等待DHT 传输的低电平。若等待100 μs 仍未拉低则返回1 表示错误，未检测到DHT11 的存在，若检测到低电平后在检测到高电平则返回0，表示DHT11存在。

当检测到DHT11 后，则需要读取数据。首先，编写DHT11_Read_Bit()函数来读取一个字节，即检测到DHT11 的低电平后，延时40 μs，若仍为高，则读取一位数据为1，反之则为0。编写函数DHT11_Read_Byte()利用循环左移八位来读取一字节的数据。DHT11 模块传输一次完整的数据为40 bit，数据格式分为五部分：湿度整数及小数数据、温度整数及小数数据、校验和，每部分占8 bit 顺序传输，当数据传送正确时校验和结果等于前四部分相加。只获取整数部分作为测得的温度与湿度值。温湿度模块子程序流程图如图9(a)所示。

图9 子程序流程图

3.3 土壤湿度模块、烟雾模块子程序

首先，进行对AD 端口的初始化，配置单片机的PA4 和PA5 引脚为输入模式，而后配置ADC 通道4和通道5 初始化，定义土壤传感器为ADC 通道4，定义烟雾浓度传感器为ADC 通道5，使能指定的ADC1的软件转换启动功能[12]。等待转换结束后，循环获取五次ADC 规则组的转换结果，即循环获取五次采集的值，再取平均值，以使结果更加准确。由于单片机ADC 为12 位，所以测出值为0～4 096，将值缩小40.96 倍，使结果取值范围为0～100，由于ADC 获取数值与需要的值相反，因此需用100 减去得到的值。土壤湿度模块子程序流程图如图9(b)所示，烟雾模块子程序流程图如图9(c)所示。

3.4 OLED显示模块子程序

首先，进行OLED 屏幕的初始化，设置PB12、PB14、PA8、PB15、PB13 端口为推挽输出模式，复位SSD1306，驱动IC 初始化代码，清零显存，开始显示[13]。接着设置命令口的地址，判断读状态字忙时，进行写命令寄存器，等待初始化完成后，设置数据口的地址，再次判断读状态字状态，读状态忙时，写显示数据，并将取模软件取出的数据写入。模块子程序流程图如图9(d)所示。

3.5 系统应用设计

系统应用程序主要包括Web 程序、手机APP 程序两个部分组成。APP 和系统终端之间的数据交互是通过ONENET 平台来实现。在该设计中采用EDP协议接入，EDP 是ONENET 平台特有的传输协议。该协议基于TCP 进行传输，具有较强的功能，可以实现数据的上传、下发及转发功能，接收数据时支持七种格式，实现起来也较为简单。

系统内置传感器采集到的温度、湿度以及烟雾等各类数据，借助STM32 嵌入式平台的WiFi 功能上传云平台[14]。ONENET 平台可以实时接收来自系统终端的数据，并对数据进行分析、监测、存储等，也可以将接收的数据实时同步到手机APP 端，用户通过APP 可以实时的查看植物的生长情况，方便用户进行远程监控。ONENET 也可以接收来自APP 的控制命令数据，通过ONENET 云平台进行命令的转发，随后下发至硬件部分进行命令的解析，实现远程的操控[15]。在平台的应用设计界面，针对不同的数据流添加不同的图标来进行表示，同时也可以添加相应的控件进行命令的下发，如图10所示。

图10 应用开发界面

在应用区设计了由基础元素和控制元素构成的组建库，基本元素包含了对植物生长情况的数据统计，如温度、湿度、土壤湿度以及烟雾浓度的仪表盘。控制元素主要包括了开关功能按钮，实现对园林系统模式的远程控制[16]。

4 系统测试

1）当系统上电后，各模块进行初始化，OLED显示屏显示出当前的温度为25 ℃，相对湿度为30%RH，土壤湿度显示66%RH，模式显示为自动模式，DHT11模块、土壤湿度模块功能正常运行，能够正确地获取当前的环境数据。系统实现了温度、湿度、土壤湿度的实时监测功能。而烟雾显示为1 000 ppm，这是由于烟雾模块的初始化，其数值先达到最大值，再慢慢降下来，所以起初蜂鸣器将进行报警，等待片刻，当烟雾浓度小于750 ppm 时，停止报警。

2）测试自动模式，当土壤湿度传感器浸没在水中时，OLED 显示土壤湿度为53% RH。将土壤湿度模块拿出水面后，土壤湿度降为0，水泵开始工作，再将土壤湿度放入水中，土壤湿度为72% RH，水泵停止工作。根据上述测试，自动模式正常工作，系统实现了智能灌溉。

3）测试烟雾超标报警，用火机制造烟雾，此时烟雾浓度显示为1 000 ppm，蜂鸣器进行报警，随后等烟雾值小于750 ppm 时停止报警。

4）接着用手机开热点，使与WiFi 模块进行连接，设置手机热点名称与密码，保持与代码相一致，打开手机APP，可观察到接收到来自ESP8286 的数据显示在屏幕上。将接收到的环境数据与OLED 显示的环境数据作对比可知，系统的通信功能测试正常。在APP 上将自动模式切换到手动模式，OLED 显示屏模式显示同样由自动变为手动模式。在手动模式下，通过APP 开关控制水泵为开启状态，水泵执行相应操作，系统实现了WiFi通信功能。

按照该文的功能需求，开发了系统硬件部分，微处理器能够稳定运行，能够顺利采集温湿度和烟雾数据，并在显示屏上显示当前数据，同时能够将数据通过无线发送至服务端。当采集的数据出现异常时，能够及时按照目标自动实时控制水泵浇水，保证土壤湿度在设定的范围内。

5 结论

该文设计了一款基于WiFi 通信技术的智能园林管理系统。该系统主要实现对植物生长环境中温湿度、土壤湿度、烟雾浓度等参数自动化采集与传输，借助ONENET 云平台与WiFi 通信技术的结合，实现远程对数据的可视化分析及管理，使用户能够随时随地进行系统访问观测数据，方便及时管理。今后可与人工智能、大数据、云计算等技术进一步结合，打造真正的智慧化智能园林体系。