基于移动端的温室环境监控系统设计

张晓培，梁文海

(钦州学院 广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地，广西 钦州 535011)

0 引言

随着农业现代化的发展，温室环境监控是国内外研究的热点之一[1]。目前，虽然有许多关于温室监控系统的研究，但是大多数研究都是围绕着控制器、数据传输方式和监控软件[2-4]进行的，并采用PC机作为上位机，这就要求PC终端安装在一个固定的位置。固定的终端显示就会导致在时间和空间上产生局限性。随着人们生活水平的不断提高，移动手机的普及为温室监控系统提供了新的技术方案。本文采用Android 移动手机作为温室环境监控客户端，由单片机控制器和WiFi无线传输模块共同组成监控系统的服务器。

1 监控系统的总体设计

基于移动端的温室环境监控系统主要由上位机和下位机两大部分组成，下位机又由数据采集模块和无线传输模块组成，系统的总体框图如图1所示。系统主要功能：利用温湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器实时地对温室内的空气湿度、空气温度、光照强度和土壤湿度等信息进行采集，然后经单片机控制器进行数据的处理，并通过WIFI无线传输模块传输到移动客户端，通过移动手机监控界面对数据进行处理和显示；当测量值出现异常时，可以在手机监控界面上出现提示，同时控制器控制蜂鸣器发出报警提示，便于农户进行及时处理。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 电源转换电路

由于STC89C52单片机和各种传感器需要5V的供电电源，而WiFi模块则需要3.3V的电源，因此需要将5V电源降到3.3V。本文采用降压电源模块，电路设计时选择LM2596S降压芯片，其降压电路如图2所示。图2中，IN和OUT分别为输入电压5V和输出电压3.3V。

图2 降压电路图

2.2 传感器模块

需要根据温室环境内的温度、湿度、光照强度和土壤湿度这4个环境参数选择合适的传感器。本文针对空气温度和湿度选择了DHT11温湿度传感器，其测量量程分别为0～50℃、0%～100%，测量误差分别为±2℃、±5%；对光照强度的测量选择的是BH1750FVI传感器，其光照强度范围为0～65 535lx；土壤湿度传感器采用的是HR202土壤湿度传感器，为了提高传感器的导电性能，同时防止接触土壤容易生锈的问题，在检测部分的表面进行了镀镍处理。

2.3 数据处理电路

数据的处理控制器选用的是STC89C52单片机，具有功耗低、运行速度快等优点。采用51内核却拥有传统51单片机所不具备的功能[5]。各种传感器通过单片机的控制，把当地的环境参数进行实时采集，然后把采集到的数据输入到控制器中，控制器根据接收到的数据，经过处理把它转化成对应的空气温度值和空气湿度值、光照强度值和土壤湿度值。控制器采集电路如图3所示。

图3 数据处理电路

2.4 报警电路

本文在控制器中设置了温度、湿度和光照强度的上下限报警值，当系统检测的环境参数大于或者小于控制器给定的上下限报警值时，系统就会触发报警装置进行报警，便于农户及时发现异常进行及时的处理。报警电路的设计电路如图4所示。

图4 报警电路

2.5 无线模块的电路设计

现今常用的无线传输技术有GSM通讯技术、ZigBee技术和WiFi无线传输技术等[6]。由于WiFi在农业温室区的覆盖，可使移动终端方便的接入监控系统[7]，所以本设计选用的无线传输模块为WIFI模块。WiFi模块采用的是esp8266的射频芯片，其工作电压3.0～3.6V，本设计采用3.3V。它与单片机的数据通讯是通过串口实现的，无线WiFi模块的数据发送和数据接收引脚分别接单片机的RXD和TXD。模块与单片机可以作为服务器或者客户端，只需给予模块设置相应的AT指令即可。本设计中使用的是服务器模式，其与单片机的连接如图5所示。该模块留有天线接口，为了提高传输距离和数据传输的稳定性，该电路外接了一根天线。

图5 WiFi与单片机的接口图

3 系统软件设计

3.1 下位机数据采集软件设计

本系统中，对温室环境参数的采集和处理由下位机完成的，下位机把采集到的环境参数通过无线传输方式发送给移动客户端，软件流程图如图6所示。

3.2 上位机工作流程图

上位机在温室环境监控系统中起到了数据接收和显示的作用，其软件流程图如7所示。

3.3 WIFI通信软件设计

无线WiFi模块工作模式有STA和AP模式[8]。STA模式即无线站点，类似于无线终端，STA可以连接到AP，但是本身不允许无线接入，如移动手机、平板电脑等。AP模式即无线接入点，给予无线接入服务，允许其他无线终端接入，如路由器(AP)， AP与AP还可以相互连接。本系统WiFi模块工作在AP模式下，单片机和WiFi模块共同组成了服务器。首先对esp8266无线WiFi模块进行初始化设置，根据无线模块的通讯协议，从单片机的串口给WiFi模块发送AT指令，完成初始化设置，如AP模式的设置等。

图6 下位机软件流程图

图7 上位机软件流程图

3.4 移动手机客户端APP软件的开发

温室环境监控系统的上位机监控软件是由JAVA语言开发的Android应用程序，是运行在Android移动手机上的应用程序。此次设计的开发环境使用的是谷歌公司推出的Android开发平台Android Studio。

开发本系统的应用程序，需要先对界面进行布局设计，然后再根据界面所需要的功能进行代码编写。根据移动端温室环境监控的需求，论文设计了上位机监控软件的两个界面，如图8和图9所示。

图8 WIFI连接界面

图9 环境数据显示界面

图8中的界面布局了IP地址输入编辑框、端口号输入编辑框、启动连接按钮和进入监控页面按钮。由于上位机是作为客户端使用， IP地址和端口号是必不可少的。为了方便农户，WIFI连接界面初始化时，默认填写服务器的IP地址192.168.4.1和端口号8888；当手机正确连接服务器后，点击启动连接按钮，按钮上的文字显示为断开，且在按钮下方出现短暂的文字提示“已成功连接！”；点击断开按钮，按钮上的文字显示为启动连接，并且在按钮下方出现短暂的文字提示“已断开连接”；当点击“进入监控页面”按钮，进入数据显示界面。

图9的界面为监控数据的显示界面，包含当前温度、当前湿度、光照强度和土壤湿度的显示，同时还布局了温度、湿度和光照强度报警值的编辑框，输入内容有提示限制。在这个界面中布局了一个“开始监控”按钮，当上位机正常连接服务器点击该按钮后，按钮上的文字从原来的“开始监控”变成“监控中...”，文字颜色由黑色变蓝色作为重要提示，接收到的数据显示在指定的显示标签内；再次点击该按钮，按钮上的文字由“监控中...”变成“开始监控”，显示数据消失；如果未能正常连接服务器，该按钮无响应，数据不显示。

4 基于移动端的温室环境监控系统测试

针对系统的研究目标，本文通过硬件物理平台的搭建和软件系统的编程，构建了一个基于移动端的温室监控系统。完成本系统的设计，需要先对软硬件进行分步骤的安装和测试，确认每步测试成功后才进行了系统的集成组装调试和模拟试验。

开启下位机，等待几秒钟后，开启上位机“启动连接按钮，系统连接成功，运行界面如图10所示。如果不能正确连接服务器，就开启“启动连接”按钮，界面不会提示“已成功连接！”。

图10 连接界面运行图

系统的正常启动顺序为：先连接成功后，进入监控系统界面，设置温度、湿度和光照强度的报警值后，点击“开始监控”按钮。如果没有设置温度、湿度或者光照强度值时，点击“开始监控”，按钮文字不会发生变化；若设置值不全或者不合法，都会在界面上提示用户。在接收到的环境参数没有超出设定值的情况下，看到的显示界面如图11所示。

图11 检测参数正常显示界面

如果采集到的环境参数超过或者小于农户给定的参数报警值时，上位机界面出现就会报警提示。若接收到的温度值大于给定的温度上限报警值，提示温度过高；若接收到的湿度值小于给定的湿度报警下限值，提示湿度过低；若接收到的光照强度值小于给定光照强度下限报警值，提示光照过低。检测环境参数异常的显示界面如图12所示。

图12 检测参数异常显示界面

5 结论

为了有效地监控温室环境参数，提出了使用传输速度快、传输信号稳定的无线WIFI通讯技术与移动客户端传输数据的温室环境监控系统。该系统采用各种传感器和单片机完成温室现场环境的参数采集，并将数据打包通过无线WIFI模块构成的服务器传输给移动客户端，最终将监控的数据显示在开发的Android系统APP上。为了验证系统的可行性和稳定性，通过对环境监控 APP 的测试，完成了在线环境数据的获取、监控等功能。试验结果表明：该系统操作简单、软硬件运行稳定，基本上达到了预期的设计目标，能够较好地监测温室环境中的多元信息，为温室农业生产提供重要的科学依据。

参考文献：

[1] 齐建玲,田国强,苏行.基于嵌入式技术的无线智能温室测控系统设计[J].北航天工业学院学报，2016,26(4)：1-3.

[2] 李星恕,杨中平,郭康权,等.CAN 控制器温室环境监控系统的设计[J].农机化研究,2002(4):97-100.

[3] 马海龙,张长利,郑博元,等.基于ZigBee技术的日光温室环境监控系统设计[J].南方农机,2015(12):34-36.

[4] 王以忠，王盼，彭一准,等.基于LabVIEW 的温室大棚智能远程监控系统[J].湖北农业科学，2015,54(13):3269-3272.

[5] 赵国利.基于单片机的停车场管理系统模型设计[J].河南机电高等专科学校学报,2014(4):14-17.

[6] 吴成东.智能无线传感器网络原理与应用[M].北京:科学出版社，2011.

[7] 刘红义,赵方,李朝晖,等.一种基于WiFi传感器网络的室内外环境远程监测系统设计与实现[J].计算机研究与发展,2010,47(S2):361-365.

[8] 杨飞,谢涛,伍其,等.基于WiFi的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计[J].计算机测量与控制,2017,25(2):50-53.