李 海，蔡光師

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院 人工智能學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，土壤條件、溫度和照度是對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生重要影響的三個(gè)因素[1-2]。因此，除了土壤條件，精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并記錄環(huán)境溫度、照度，及時(shí)做出有效反饋對(duì)高品質(zhì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。為此，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的溫度和照度遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，通過WiFi把系統(tǒng)測(cè)量的農(nóng)作物數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 開發(fā)板

開發(fā)板是信息采集與處理的核心，本系統(tǒng)采用Arduino UNO開發(fā)板。Arduino開發(fā)板于2005年開發(fā)成功，其獨(dú)有的開放性和易用性備受開發(fā)者青睞[3-4]。目前，Arduino系列開發(fā)板有多個(gè)不同版本，包括Arduino UNO、Arduino Nano等。其中，Arduino UNO開發(fā)板配套有Arduino IDE開發(fā)軟件，豐富的第三方庫資源，無需編寫繁瑣復(fù)雜的底層驅(qū)動(dòng)程序，開發(fā)快捷，支持I2C、SPI等多種串行通信方式，且價(jià)格低廉，運(yùn)算能力及內(nèi)存均可滿足本系統(tǒng)的需求。

1.2 溫度傳感器

本系統(tǒng)采用的DS18B20數(shù)字型傳感器能直接將信號(hào)作為數(shù)字量輸出，不易受外界信號(hào)干擾，具有較高精度和較高分辨率[5]。此外，DS18B20數(shù)字型傳感器與Arduino適配性好，且Arduino集成有適用于DS18B20的第三方數(shù)據(jù)庫，編程及既定功能容易實(shí)現(xiàn)。

1.3 照度傳感器

本系統(tǒng)采用的GY-30照度傳感器是照度傳感器型號(hào)中使用較多的一種[6]。GY-30照度傳感器具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）將BF1750FVI芯片和部分外圍電路集成到一塊小電路板上，可通過I2C串行時(shí)鐘總線、I2C串行數(shù)據(jù)總線與Arduino連接；

（2）Arduino IDE中自帶的Wire庫封裝了對(duì)I2C的相關(guān)操作方法，可以很方便地與GY-30通信；

（3）光譜特性曲線與人眼視覺靈敏度曲線較為接近，可見光測(cè)量范圍大。

1.4 無線傳輸模塊

系統(tǒng)選用嵌入式WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7-9]。它是基于ESP8266-12F WiFi模組擴(kuò)展而來的NodeMCU模塊，含有USB串口，可以與計(jì)算機(jī)直接相連；在單獨(dú)使用時(shí)可作為開發(fā)板，具有GPIO、I2C以及ADC等多種功能；可編寫硬件代碼，使用Arduino IDE即可將程序燒錄進(jìn)去，方便對(duì)WiFi模塊進(jìn)行透?jìng)髟O(shè)置。

1.5 軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)采用的Arduino IDE是一款專業(yè)的開發(fā)軟件[10]，可以在三大主流操作系統(tǒng)Windows、Mac OS X和Linux上運(yùn)行。Arduino語言由C語言與C++語言混編而成，對(duì)具有C語言基礎(chǔ)的開發(fā)者來說，使用很方便。

Arduino程序由兩部分構(gòu)成：一部分是void setup（）函數(shù)，主要用于初始化變量、設(shè)置管腳模式等，該函數(shù)內(nèi)的代碼只被執(zhí)行一次；另一部分是void loop（）函數(shù)，主要用于編寫主體程序，該函數(shù)內(nèi)的代碼會(huì)被重復(fù)執(zhí)行，類似于C語言中的loop（）函數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)上傳平臺(tái)

本系統(tǒng)選擇貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能同時(shí)接入多個(gè)設(shè)備，并將接收的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)變化的曲線方式展現(xiàn)。此外，它還具有延時(shí)小、開發(fā)文檔詳細(xì)、協(xié)議公開等優(yōu)勢(shì)。將數(shù)據(jù)上傳之前，需要對(duì)貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行配置操作：注冊(cè)貝殼物聯(lián)網(wǎng)賬號(hào)，登錄后點(diǎn)擊“一鍵開始”即可自動(dòng)生成所需設(shè)備和接口。由于需要上傳溫度和照度的數(shù)據(jù)信息，因此考慮額外添加一個(gè)模擬量接口。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的流程如下：以Arduino UNO開發(fā)板為核心，利用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器和GY-30數(shù)字光照度傳感器采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，通過I2C等通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給Arduino進(jìn)行片上運(yùn)算處理，之后Arduino將數(shù)據(jù)處理結(jié)果打包成符合平臺(tái)通信協(xié)議的JSON數(shù)據(jù)格式，再通過串口傳輸給嵌入式WiFi模塊，由它將溫度與照度數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議以WiFi傳輸形式發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并實(shí)時(shí)顯示。

3 硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路如圖1所示，包括溫度采集電路、照度采集電路、數(shù)據(jù)發(fā)送電路、無線傳輸模組。

圖1 系統(tǒng)硬件電路

（1）溫度采集電路。將Arduino開發(fā)板上的2號(hào)數(shù)字I/O口作為接收DS18B20溫度傳感器數(shù)據(jù)的通信端口；將DS18B20的VCC引腳和GND引腳分別與Arduino的5 V引腳和GND引腳相連；將DQ引腳與I/O口相連；外接一個(gè)阻值為4.7 kΩ的上拉電阻，并將其連接在VCC與DQ之間。

（2）照度采集電路。將Arduino板上的A4引腳、A5引腳對(duì)應(yīng)連接到GY-30光照度傳感器模塊上的SDA引腳、SCL引腳，再分別將它們與VCC引腳、GND引腳連接，ADDR引腳設(shè)置為懸空。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)送電路，即Arduino開發(fā)板將處理完畢的溫度和照度數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊電路。這部分電路使用串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只需將Arduino板上的RX引腳、TX引腳和WiFi模塊的TX引腳、RX引腳對(duì)應(yīng)連接，再將Arduino板與WiFi模塊的GND引腳相連即可。

（4）無線傳輸，即將接收到的數(shù)據(jù)信息通過WiFi上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。首先在Arduino IDE上編寫程序，然后將其燒錄進(jìn)WiFi模塊，再將數(shù)據(jù)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。但在此之前需要對(duì)WiFi模塊進(jìn)行透?jìng)髟O(shè)置，透?jìng)髟O(shè)置代碼如下：

4 系統(tǒng)測(cè)試流程

先將本系統(tǒng)的完整電路正確連接，然后將在Arduino IDE上編寫的完整程序燒錄進(jìn)Arduino開發(fā)板，之后再將已完成透?jìng)髟O(shè)置的WiFi模塊上電，此時(shí)電路可開始采集數(shù)據(jù)并通過WiFi將數(shù)據(jù)上傳至貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。登錄貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，點(diǎn)擊智能設(shè)備控制模式中的“數(shù)據(jù)查看”即可查看數(shù)據(jù)采集、顯示情況。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的溫度和照度遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)完全可滿足智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，該系統(tǒng)在-10～85 ℃范圍內(nèi)的溫度誤差為0.5 ℃，照度精度為1 Lux，整體精度較好，達(dá)到既定要求。