一种低成本的大棚气象检测仪设计与实现

欧庆荣 郭红英

（漳州职业技术学院电子工程学院 福建省漳州市 363000）

大棚农业种植可以有效提高农作物产量与品质，通过物联网技术结合农业大棚气象检测是现代化农业生产种植的重要标志之一，是农业大棚生产各环节检测、协作的重要技术保证[1-2]。物联网运用一系列的传感器技术，把传感器采集数据和服务器通信，继5G之后全世界主要发达国家作为新的高质量经济增长点。人民生活水平的不断提高，居民出行使用汽车越来越多，汽车尾气等进入大气致使PM2.5/10的浓度越来越高。由于农作物生长与自然环境息息相关，农作物对温湿度过高或者过低、PM2.5浓度较高、气候气压变化、光照强度都会大大降低产量与品质[3]。而温湿度、光照气压、PM2.5等气候对相应的农作物影响都不一样，因而，设计一种精准测量并能够设置监控温湿度、PM2.5等气象数据预警值，同时能够及时发出警报的系统达到高效监管，对农作物种植人员已刻不容缓[4-6]。

自4G网络普及以来，5G基站建设如火如荼，物联网与手机端android得到了快速发展，这解决了仪器检测设备需要借助有限网络的局限性。大棚气象无线监测通常采用Wi-Fi、ZigBee和蓝牙三种无线通信技术[7]。其中ZigBee虽然最大接入数量高达65000个网络节点，但是它是三者抗干扰性能最差，一旦ZigBee与蓝牙信号的信道重合，ZigBee信号性能会受到严重干扰[8-9]。而蓝牙无线通信本身传输的距离相对较短，存在着不同的设备之间因协议问题导致的不兼容的不足[10]。Wi-Fi具有易于扩展和高速传送数据特点，成本比较低，支持Wi-Fi的产品很多，所以选择通过Wi-Fi实现无线通信。故本人设计一种采用低成本的国产单片机STC15W4K56S4为主控芯片将大棚的温度湿度、气压、PM2.5/10浓度通过ESP8266-01系列的Wi-Fi模块传入手机安卓端，实现对大棚气象参数监控并对极端气候进行预警从而增加大棚农作物的产量与品质。

1 系统总体设计

检测仪采集大棚环境参数时，需要明确检测环境因子并明白环境变化对大棚植物的影响。不具备无线网络传送采集检测的数据容易致使随意、盲目与凭经验种植错失农作物的最佳生长环境，使直接无线传输到服务器来远程监测控制，为农作物种植提供科学依据显得迫在眉睫[11]。因此，本设计采用气压传感器、粉尘传感器、光照传感器、温湿度传感器采集大棚里的气象信息传输给主控芯片STC15W4K56S4单片机，进行数据处理后通过Wi-Fi模块传送至安卓终端。管理员通过在安卓手机端的APP设置气象数据的预警值，一旦超过警戒值后手机应用端收到预警通知，实现监控气象数据，让植物成长在适合的环境里。

2 硬件设计

图1：系统总体设计

本设计主要硬件电路如图2所示，U1为主控芯片STC15W4K56S4单片机，具有高速、低功耗、抗干扰性强4K RAM和56K ROM，支持在线编程等特点，实现传感器的采集大棚气象数据通过Wi-Fi发送至手机端。U2为16位AD转换的BH1750光照传感器，能够表示1-65535lx，采集的光照数据经过P1.4和P1.5接口IIC 总线SDA和SCL通信。其中光照强度等于读取值乘以分辨率除以1.2倍的灵敏度，大棚采集气象数据间断性采集对时间要求不高，故采用0.5lx分辨率；U3是DHT11温湿度传感器，其中第2脚具有AD转换功能，用于检测大棚温湿度浓度，上电初始化时需要一秒后才能开始采集。当手机APP端发送开始采集后，STC15W4K56S4单片机向DHT11传感器发送采集信号，模式由低功耗变成高速，直到接收到主机开始信号结束后，此时仍然需要等40us以后才能够读取DHT11的响应信号。U4是BMP180气压传感器，引脚3和4分别接P5.2和5.3接口，SDA依据SCL产生起始与终止信号。U5是ESP8266-01模块通过Wi-Fi解决方案使手机端能够获取设备仪器经过传感器采集的大棚气象数据，电源连接3.3V共有8个引脚，UTXD和URXD外接单片机P1.0、P1.1接口实现。因为802.11标准规定的频率为2400到2484MHz可分为1-14个信道，为了防止信干扰，相邻的设备仪器采用的信道间隔2个信道。同时，为了降低功耗，系统在不采集工作时候，ESP8266进入休眠模式直到下次需要时候自动唤醒[12]。U6是激光传感器模块，大棚空气颗粒物进入激光束区域里，根据米氏理论算法计算出颗粒物浓度传送数据至单片机P5.1口，颗粒浓度增大的时候，采集间隔需要减小[13]。

3 软件设计

设备上电后，开始初始化传感器模块和Wi-Fi模块，传感器采集的数据通过IO口传输至单片机里。系统采集流程图如图3所示：大棚里的气压、光照等气象数据通过单片机算法校正后得到温度、压力与光照值通过Wi-Fi传送至手机端。手机端分为设置预警、实时数据、用户历史数据三个功能模块。大棚气象检测仪APP是基于Android平台4.3版本开发来的，它不仅能够兼容Android 4.3还能够兼容后面新的Android版本。Java采用Java 1.8版本，Eclipse开发工具来搭建开发环境，使用MySql开源数据库存储手机端的气象数据。硬件部分采用keil IDE开发工具，C语言程序设计的开发语言实现硬件的开发。之后用户通过手机应用软件查看大棚气象数据。Wi-Fi通信如图4所示，初始化ESP8266之后配置串口AT指令集如工作模式AP+STATION、热点名字与密码，建立TCP服务器连接等，之后再通过单片机的串口发送联机指令U2SendString(str1)、U2SendString(str2)、U2SendString(str3)...。 设置发送每个指令间都需要延时500毫秒。AT部分指令集如下所示：

图2：部分硬件电路

图3：系统采集流程图

图4：单片机Wi-Fi通信流程图

图5：连接气象检测仪

图6：设置气象预警

图7：气象预警通知

图8：实时检测效果

4 结果测试

大棚检测仪能够采集大棚里的空气温湿度、PM2.5、气压光照等气象数据，本APP适用安卓系统4.3及以上。使用前，登录大棚气象检测仪手机客户端后需要先设置相应的IP值与端口号来连接检测仪的Wi-Fi如图5所示。当连接成功后，手机APP将会接收单片机STC15W4K56S4经过Wi-Fi模块发送传感器采集大棚气象数据。图6是手机端设置气象预警值，光照与温湿度与空气粉尘浓度的上限和下限值。之后点击确定，系统就开始执行监控功能。一旦气象数据超出我们设置的预警值时，用户手机界面将触发时间、触发的值等相关气象数据保存并预警，促使用户采取措施处理，系统将会发送通知如图7为界面所示；图8为大棚环境数据实时监测图，当我们在手机端打开采集开关按钮时，系统将显示相应大棚里面的粉尘浓度、光照、大气压、温度、湿度实时检测值，如1号大棚所示。当我们不需要采集某个大棚时，我们可以关闭数据采集，这时候气象数据也不在显示具体值，如2号大棚所示，如果需要采集时候，只需要点击开始按钮就能够采集。通过手机端使管理员能够低成本的监控农作物的气象环境，达到不需要去农田也能监控农作物。

5 结语

本文将物联网技术与安卓平台相结合，实现大棚的气象数据远程监控与记录在手机端。一旦大棚里出现不适合农作物的气候时，用户通过手机APP的预警通知，能够及时做出应对方案，提高农作物的产量与品质。本设备仪器采用的低功耗的单片机芯片与低成本的传感器使该仪器设备的系统软硬件成本低廉，无线自动采集且自动预警使一人可以监控整个农场的农作物，具有一定的应用价值。所不足之的地方是还没有开发苹果手机端应用场景，而且苹果的用户也比较多，仍然需要进一步完善。