基于ESP8266的温室大棚远程监控系统设计*

王昊宇，李国利，周 创，夏研育，姚 科

（金陵科技学院 机电工程学院，江苏 南京211169）

引言

农业经济是提供国民经济建设与发展的基础产业，属于第一产业。倘若把国民经济比作是一座高楼大厦，农业就是这座大厦的基石。农业经济的增长对第二、三产业的发展起着支撑与推动作用[1]。我国正处于由传统农业向现代化农业转变的过渡时期。物联网是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点人、机、物的互联互通。农业物联网是两者的有机结合，可以及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置[2-4]，这样农业将逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。当前我国温室大棚大多处在中、小规模，为适应国内温室大棚特点，吸引中小型种植户的资金投入，智能化监控系统的引入要考虑整个系统的造价。随着移动计算机技术和通信技术的快速发展，基于单片机技术和WiFi通信技术的远程监控技术逐渐发展起来[5-9]。本文基于单片机和ESP8266模块设计了大棚远程监控系统，系统能够采集大棚环境信息并可通过WiFi网络发送至监控手机，监控人员通过手机APP查看大棚环境信息并可远程控制大棚有关设备工作，系统制造及运行成本低，通信可靠，操作简单。

1 总体设计

1.1 系统构成

系统主要由门禁系统和远程监控系统组成。远程监控主要包括个人手机上的APP、WiFi通信模块ESP8266、DHT11温湿度检测模块、光敏电阻电路、二氧化碳检测传感器和LED灯。门禁系统主要由STC12C5A60S2、RFID射频模块和OLED屏幕等组成。系统结构总体框图如图1所示。

1.2 系统主要功能

ESP8266模块通过各个传感器采集大棚环境信息，通过WiFi网络传送至监控手机。监控人员通过手机APP远程查阅大棚内的温湿度、光照等情况。系统会根据测得的环境参数自动驱动有关设备工作实现环境参数调节，如当光照不足时，可自动开启大棚内的灯来补光，也可使用语音助手来调节灯的亮度等级。当温湿度条件不符合农作物生长时，技术人员可以使继电器动作来控制供水设备和空调来调节大棚内的温湿度。系统在大棚门口设有门禁部分，工作人员用已经录入系统的门禁射频卡刷卡进入大棚，OLED屏可显示连接需要的WiFi信息。

图1 系统结构总体框图

2 硬件设计

2.1 远程监控系统设计

远程监控系统主要由一个主控ESP8266、一个温湿度传感器、一个二氧化碳传感器组成。

ESP8266是乐鑫公司生产的一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够搭载软件应用。ESP8266的工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境。共有17个GPIO管脚，通过配置适当的寄存器可以给它们分配不同的功能。每个GPIO都可以配置为内部上拉/上拉，或者被设置成高阻态。

温湿度传感器选用DHT11，它是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。湿度精度为±5%RH，温度精度为±2℃，量程湿度为20~90%RH，温度为0~50℃。

二氧化碳传感器选择MG-812，采用固体电解质电池原理来检测CO2的半导体氧化物化学传感器。当传感器保持在一定的工作温度，置于CO2气体中时，电池正负极发生电极反应，传感器敏感电极和参考电极之间产生电动势，输出信号电压与CO2浓度的对数成反比例线性关系，通过测试信号电压的变化，可检测到CO2浓度的变化。

远程监控系统原理图如图2所示。

2.2 门禁系统设计

图2 远程监控系统电路原理图

门禁系统选择STC12C5A60S2作为主控。STC12C5A 60S2是宏晶公司生产的单时钟/机器周期单片机，其内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换器，可用于针对电机控制和强干扰场合。门禁系统对外提供多组5V、3.3V电源，并设计了USB-MICRO接口烧录程序，便于升级更新。RC522射频模块采用SPI通讯协议与MCU通信，射频识别是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别[10]。STC12C5A60S2片内EEPROM拥有两个512字节的扇区，可保存一些需要在应用过程中修改并且掉电不丢失的参数数据，不需要增加成本购置独立EEPROM元器件。1.3寸OLED屏幕使用模拟IIC协议控制，拥有128×64高分辨率、超广可视角度、超低功耗等优点。门禁系统电路原理图如图3所示。

图3 门禁系统电路原理图

3 软件设计

3.1 门禁系统软件设计

门禁系统工作以循环的方式进行。当门禁系统程序处于运行状态时，它的运行周期可以划分为三个基本模式，保存模式、删除模式、运行模式。按上“保存”按键，进入保存模式；按上“删除”按键，进入删除模式。

（1）在保存模式上，操作人员按上“保存”按键来录入新的射频门禁卡，将射频门禁卡贴上RC522模块的同时，RC522模块一直在循环运行寻卡函数，寻卡成功后，会返回读取的卡号，并将该射频门禁卡的ID号存入STC12C5A60S2片内EEPROM。

（2）在删除模式上，操作人员按上“删除”按键来删除已经录入门禁系统的射频门禁卡，将射频门禁卡贴近RC522射频模块，门禁系统将该射频门禁卡的ID号与EEPROM中已保存的ID数据依次比对，并将相同ID数据从EEPROM中删除。

（3）在运行模式上，门禁系统循环运行寻卡函数，读取卡号，并循环判断是否与EEPROM已经保存的卡号ID相同。若不同，OLED界面切换，显示ID号错误，需要录入该射频门禁卡；相同则蜂鸣器发出短促的提示音，表示开门，OLED屏幕界面切换，并显示WiFi密码，允许操作人员连接大棚本地WiFi，进行上一步操作。

门禁系统程序流程图如图4所示。

图4 门禁系统软件流程图

3.2 远程监控系统软件设计

远程监控系统选用了物联网平台Blinker。Blinker提供APP端、设备端、服务器端支持，使用云服务器进行数据传输存储。在Android操作系统上拥有独立的应用程序，人机交互界面拥有简洁明了、方便更新升级等优点。远程监控系统主要分为四个阶段，温湿度数据的采集与处理、光照强度的采集与处理、二氧化碳浓度的采集与处理，数据包上传。

在温湿度数据的采集与处理阶段，远程监控系统首先初始化服务器程序。DHT11温湿度传感器的数据采集是上一周期运行得到的数据，故需要将系统重新启动的第一次数据过滤掉，不然会造成系统读数异常与误操作。在获得正确的温湿度数据后，程序将判断是否在要求阈值内，控制继电器动作，使输出设备空调、水阀启动或停止。

远程监控系统使用ESP8266的ADC口读取电压数值Vin，根据电压与光强的曲线图像与分压原理，推出光强公式:ill=1999*Vin+1。通过程序计算得出实际光强值。当大棚内光强低于设定阈值时，远程监控系统可自动打开LED灯补光，操作人员也可手动操作打开LED灯。本系统接入了小米的米家系统，可通过语音控制PWM调节灯光亮度等级，将电压脉冲宽度映射到亮度等级0~100级。

在读取二氧化碳浓度后，每一分钟将数据写入心跳数据包传输给阿里云云服务器云计算，云计算就是使用分布式的方法，针对海量数据计算的一种解决方案。通过云服务器，可以读取当前世界时间，使系统可以适配全球各地的温室大棚。本系统使用的是国际时区东八时区的区时作为标准时间，即北京时间。远程监控系统软件流程如图5所示。

图5 远程监控系统软件流程图

4 系统运行结果

根据门禁系统硬件原理图绘制PCB图并打样电路板，购买符合封装要求的元器件焊装，并进行系统硬件测试，将编写好的系统程序编译、仿真成功后通过STC-ISP软件烧录到单片机FLASH，并进行调试。所制作门禁与远程监控系统物理样机如图6所示。

图6 门禁与远程监控系统物理样机

调试方式如上:通过人机界面查看实时采集的数据，并通过按键操纵启动继电器，断电后重启系统查看数据是否变化；通过环境干预和阈值更改的方法查看指示灯及控制设备是否正常运行；通过登录Android操作平台查看数据传输是否正常。

门禁系统一直在等待刷卡，提醒需要进入的工作人员刷卡确认身份，如图7为刷卡前OLED界面。

图7 正常运行OLED界面

如图8为正常使用时手机界面，第一行和第二行为当前时间；第三第四行为二氧化碳、温湿度、光照数据显示；第五行为4个操控按钮供操作人员控制继电器。最上方为调试信息，可以点击刷新键，手动刷新数据。

5 结论

图8 监控手机界面

该设计是一款基于STC12C5A60S2单片机和ESP8266WiFi开发板的大棚远程监控系统。系统所运用的物联网技术具有良好的市场前景，系统能够自动、手动、语音控制大棚内设备调整大棚温度、湿度、光照等环境信息，保证大棚内农作物的生长环境，并安全防盗。系统所使用的设备成本低，性价比高，工作安全可靠，网络远程操控，操作使用简单，并提供了许多I/O口供以后系统升级拓展使用。