喬軍航 劉忠超

（南陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004）

數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)多年來(lái)蔬菜溫室種植面積和產(chǎn)量已居世界第一。但是我國(guó)溫室的智能化程度不高，主要監(jiān)控設(shè)備還需從國(guó)外進(jìn)口，成本較高。因此，本文提出一種基于微信小程序的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)在微信小程序端對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)溫室環(huán)境超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)，通過(guò)STM32 單片機(jī)反饋調(diào)節(jié)，改善溫室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)有效控制，進(jìn)而使溫室環(huán)境符合作物的生長(zhǎng)要求。

1 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要在微信小程序端實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息，當(dāng)溫室內(nèi)環(huán)境信息超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，溫室控制器STM32 發(fā)出調(diào)節(jié)指令，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使得溫室環(huán)境適合作物生長(zhǎng)。

系統(tǒng)分為溫室信息采集端、反饋調(diào)節(jié)端和遠(yuǎn)程接收信息端[1]。采集端主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集；反饋調(diào)節(jié)控制器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的加熱和加濕、降溫和除濕及光照補(bǔ)償；遠(yuǎn)程接收信息端主要是將各類傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息通過(guò)ESP8266 WiFi 模塊推送給騰訊云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)小程序端實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室信息。智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的信息采集端、反饋調(diào)節(jié)端和信息接收端主要由STM32F103 單片機(jī)控制。系統(tǒng)進(jìn)行信息采集時(shí)，DHT11 溫濕度傳感器通過(guò)單總線雙向串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)到采集端[2]，CCS811 二氧化碳傳感器和BH1750FVI 光照強(qiáng)度傳感器通過(guò)IIC 總線將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至采集端，數(shù)據(jù)采集完成后，采集端將檢測(cè)的信息發(fā)送給ESP8266 WiFi 模塊，然后由ESP8266 WiFi 模塊將消息推送到騰訊云平臺(tái)[3]，最終實(shí)現(xiàn)在小程序端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。若采集端采集的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，主機(jī)STM32 控制相應(yīng)的模塊進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。

2.1 控制器模塊

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主微控制器選用STM32F103RCT6 單片機(jī)，該單片機(jī)是32 位嵌入式微控制器，內(nèi)部集成含有定時(shí)器，速度為72MHz，ADC 模數(shù)采樣[4]，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 溫濕度傳感器采用單排引腳封裝，內(nèi)部包含1 個(gè)NTC 測(cè)溫元件和電阻式感濕元件，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可靈活方便地與單片機(jī)連接[5]。溫濕度傳感器實(shí)物圖及接口電路引腳圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器實(shí)物圖及接口電路引腳圖

2.3 二氧化碳濃度傳感器模塊

CCS811 二氧化碳傳感器是一種超低功率微型氣體傳感器，內(nèi)部具有微控制器，可以調(diào)節(jié)傳感器的驅(qū)動(dòng)模式，并測(cè)量有關(guān)氣體。微控制器STM32F103RCT6 和CCS811 使用IIC 接口通信[6]。實(shí)物圖及接口電路引腳圖如圖3 所示。

2.4 光照強(qiáng)度傳感器模塊

BH1750FVI 光照傳感器是一種數(shù)字化光照強(qiáng)度傳感器，當(dāng)光敏二極管檢測(cè)到外部光照后會(huì)產(chǎn)生一定的電流，再通過(guò)運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，通過(guò)邏輯運(yùn)算器完成光強(qiáng)度計(jì)算，最后通過(guò)IIC 接口電路將信息傳給主控芯片STM32[7]。實(shí)物圖及接口電路引腳圖如圖4 所示。

圖4 光照傳感器實(shí)物圖及接口電路引腳圖

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警系統(tǒng)采用低電平觸發(fā)的有源蜂鳴器，采用直流供電，經(jīng)過(guò)振蕩系統(tǒng)放大，在諧振裝置作用下，發(fā)出報(bào)警。蜂鳴器實(shí)物圖及接口電路引腳圖如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器實(shí)物圖及接口電路引腳圖

2.6 反饋調(diào)節(jié)設(shè)備

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)外，還需對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得溫室環(huán)境適合作物生長(zhǎng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的反饋調(diào)節(jié)有光照補(bǔ)償、降溫除濕和加熱加濕。

光照補(bǔ)償采用3W 暖白LED 燈，工作時(shí)該模塊正極輸入高電平，負(fù)極接地，LED 燈就自動(dòng)亮起。當(dāng)光照強(qiáng)度低于20lux/m2，系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)LED 燈進(jìn)行光照補(bǔ)償。光照補(bǔ)償實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 LED 暖光燈實(shí)物圖及接口電路引腳圖

降溫除濕采用L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L9110 是控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩個(gè)通道推挽式功率放大用的集成電路芯片，是將分立電路集成在一塊IC 之中的芯片，這樣使外圍的器件成本降低，整機(jī)的可靠性提高很多[8]。L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖如圖7 所示。

圖7 L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖及接口電路引腳圖

加熱和加濕通過(guò)繼電器控制，即繼電器控制外接的加熱器和加濕器，使系統(tǒng)的溫濕度達(dá)到設(shè)定范圍，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。繼電器實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 繼電器實(shí)物圖及接口電路引腳圖

2.7 通信模塊

STM32 與騰訊云通信通過(guò)ESP8266 模塊，ESP8266 模塊采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧。利用ESP8266 模塊對(duì)傳統(tǒng)串口設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能[9]。ESP8266 WiFi 模塊實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 ESP8266 WiFi 模塊實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖10 所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先系統(tǒng)初始化，使各個(gè)模塊進(jìn)入工作狀態(tài)。單片機(jī)控制傳感器采集溫室環(huán)境信息，并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，然后對(duì)所采集的數(shù)據(jù)在小程序上進(jìn)行顯示，若采集的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器報(bào)警，并發(fā)出控制指令進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，及時(shí)改變溫室環(huán)境滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 主機(jī)與騰訊云平臺(tái)通信

上位機(jī)是基于騰訊云平臺(tái)[10]設(shè)計(jì)的小程序，要實(shí)現(xiàn)在小程序內(nèi)實(shí)時(shí)顯示溫室相關(guān)信息，需要將主機(jī)STM32 與騰訊云平臺(tái)通信，即主機(jī)STM32 將檢測(cè)到的信息發(fā)送給ESP8266 WiFi 模塊，然后ESP8266 WiFi 模塊將消息推送到騰訊云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)小程序?qū)崟r(shí)顯示數(shù)據(jù)。ESP8266 WiFi 模塊與騰訊云平臺(tái)通信程序設(shè)計(jì)流程圖如圖11 所示。

圖11 ESP8266 與騰訊云通信程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 小程序界面設(shè)計(jì)

在騰訊云平臺(tái)選取合適的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度顯示控件，進(jìn)行配置。配置完成后進(jìn)行畫面設(shè)計(jì)，小程序監(jiān)控畫面如圖12 所示。

圖12 小程序顯示界面

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

4.1 系統(tǒng)功能測(cè)試

智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖如圖13 所示，將系統(tǒng)調(diào)試后，進(jìn)行功能測(cè)試。系統(tǒng)的各個(gè)傳感器可以進(jìn)行正常采集數(shù)據(jù)，小程序界面可以實(shí)時(shí)顯示所采集的數(shù)據(jù)，報(bào)警及反饋調(diào)節(jié)正常工作。

圖13 智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖

4.2 結(jié)果分析

系統(tǒng)上電后，小程序界面可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)測(cè)試，試驗(yàn)成功率為100%，因此系統(tǒng)的功能是穩(wěn)定的，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。

5 結(jié)論

基于微信小程序的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，采用DHT11 溫濕度傳感器、CCS811 二氧化碳濃度傳感器和BH1750FVI 光照強(qiáng)度傳感器檢測(cè)溫室環(huán)境信息，在微信小程序端實(shí)時(shí)顯示溫室環(huán)境信息，利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)LED 燈進(jìn)行光照補(bǔ)償、L9110 電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇降溫除濕和繼電器控制加熱加濕。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境的智能檢測(cè)，進(jìn)而及時(shí)改善溫室環(huán)境滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。