土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁崴巍，梁 冀（通訊作者），梁 格

（廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院 廣西 崇左 532200）

1 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r在某種程度上決定了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的狀況，所以我們國(guó)家在一定程度上重視對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量需求與品質(zhì)要求在不斷地提高，而高產(chǎn)量、高品質(zhì)的農(nóng)作物離不開科技與農(nóng)業(yè)相結(jié)合。為了保證農(nóng)作物品質(zhì)的優(yōu)秀和高效產(chǎn)能，就必須從作物所處的生長(zhǎng)環(huán)境來解決實(shí)際問題。據(jù)研究表明，在農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過程中，農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中將會(huì)受到土壤諸多方面因素的影響，在這些因素之中，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響較大的便是土壤的溫濕度，農(nóng)作物根部的生長(zhǎng)與土壤的微生物生長(zhǎng)活動(dòng)直接受到土壤溫濕度影響，而且土壤溫濕度是土壤中水分運(yùn)動(dòng)的誘因，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫濕度，相對(duì)高或者相對(duì)低的溫濕度都會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制影響。提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要手段是控制土壤溫濕度在合適的范圍內(nèi)，而控制土壤溫濕度在合適范圍的重要前提是有效檢測(cè)土壤溫濕度。因此，設(shè)計(jì)土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)有重要意義。目前，對(duì)于土壤溫濕度監(jiān)測(cè)的設(shè)備過于簡(jiǎn)陋，沒有完整的土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且監(jiān)測(cè)操作過于繁瑣。因此，本文設(shè)計(jì)了一款關(guān)于土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的項(xiàng)目以緩解問題。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)采用ESP8266為主控制模塊，利用環(huán)境溫濕度檢測(cè)傳感器、光照強(qiáng)度檢測(cè)傳感器以及外圍電路實(shí)現(xiàn)將土壤溫濕度、光照強(qiáng)度情況傳送到顯示模塊OLED上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)[1]。

土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)具有體積小巧，操作較為簡(jiǎn)單、高效，而且能夠通過Wi-Fi技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸且數(shù)據(jù)精確極高的特點(diǎn)，而且可以通過手機(jī)APP查看數(shù)據(jù)分析，極大程度上方便了種植戶對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的了解，使得種植戶能夠根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，做出相對(duì)應(yīng)的改善措施，達(dá)到改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量以及品質(zhì)的目的。因此，溫濕度土樣智慧檢測(cè)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于對(duì)土壤溫濕度要求極高的花果種植，以及反季節(jié)蔬菜水果等農(nóng)業(yè)種植。相比之下，舊版溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能通過實(shí)地考察實(shí)際情況，進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性相關(guān)觀察測(cè)量，精確度相對(duì)不精確[2]。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)，從技術(shù)上解決了舊款溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)含有的一些缺陷，如實(shí)現(xiàn)Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信，數(shù)據(jù)可以通過手機(jī)APP進(jìn)行查看，可以清晰地看到數(shù)據(jù)的具體情況、數(shù)據(jù)的均值，而且與之前的檢測(cè)儀器相比，改良過的檢測(cè)儀器測(cè)量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確度會(huì)達(dá)到更高。

2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

圖1為土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)。由圖1可知，土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成。第一部分是土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的控制中心-ESP8266，控制著整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊，按照系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，有序地發(fā)出相應(yīng)的指令，協(xié)調(diào)著各模塊之間的相互通信，使得本系統(tǒng)有條不紊地開展各項(xiàng)工作。第二部分是土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)的采集，本系統(tǒng)采用傳感器DHT11采集環(huán)境溫濕度，傳感器BH1750采集光照強(qiáng)度，溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測(cè)模塊檢測(cè)土壤溫濕度。第三部分是土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示部分，數(shù)據(jù)顯示部分利用OLED液晶顯示屏，通過手機(jī)APP通信，以便用戶實(shí)時(shí)獲取農(nóng)作物土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫濕度。第四部分是土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的云服務(wù)器部分，云服務(wù)器部分采用巴法云平臺(tái)，巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持多模式的數(shù)據(jù)交互，滿足不同開發(fā)者的需求，并且協(xié)議規(guī)范，適用于各種平臺(tái)服務(wù)全兼容。主控芯片ESP8266通過MQTT連接巴法云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，功能檢測(cè)模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳到主控芯片，再由主控芯片與云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的銜接，最后通過OLED和APP進(jìn)行顯示。

圖1 土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)思路

圖2 為本設(shè)計(jì)的硬件原理圖，土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上主要由主控電路、電源電路、顯示電路、復(fù)位電路、傳感器電路、下載電路、備用電路等7個(gè)部分組成，在硬件電路實(shí)現(xiàn)上利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信。其中，ESP8266主控模塊在接收到溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息，上傳至OLED液晶顯示屏和手機(jī)APP，用戶可通過OLED液晶顯示屏查看土壤溫濕度的數(shù)據(jù)信息，也可在手機(jī)終端使用項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)的APP查看相關(guān)信息，該APP上的數(shù)據(jù)信息與OLED液晶屏上的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)同步。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理圖

4 軟件設(shè)計(jì)方法

圖3為軟件設(shè)計(jì)流程圖，當(dāng)開始啟動(dòng)開關(guān)，網(wǎng)絡(luò)便會(huì)進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，傳感器D H T11環(huán)境溫濕度采集模塊、傳感器B H1750采集光照強(qiáng)度采集模塊、溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測(cè)模塊進(jìn)行初始化動(dòng)作，緊接著各模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，最后傳輸送到巴法云平臺(tái)。使用期間，檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)檢測(cè)環(huán)境變化情況不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。本設(shè)計(jì)智能溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上，其采用的是Arduino IDE進(jìn)行編譯，以巴法云平臺(tái)作為其載體，通過E S P8266讀取傳感器數(shù)據(jù)并上傳至巴法云平臺(tái)[3]。巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采用前后端分離的設(shè)計(jì)思想，致力于攻克高性能的異步并發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)端服務(wù)器，保證了低功耗下數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持多模式的數(shù)據(jù)交互，能夠滿足不同使用用戶的各種實(shí)際需求，并且該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)協(xié)議規(guī)范，能夠適用于各種平臺(tái)服務(wù)全兼容。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 實(shí)物展示與測(cè)試情況

5.1 實(shí)物展示

圖4是土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖及其具體使用情況，接通開關(guān)連接電源，系統(tǒng)會(huì)通過液晶屏展現(xiàn)檢測(cè)、連接的情況。左邊液晶屏是連網(wǎng)接通情況分析，會(huì)顯示該部分系統(tǒng)是否連接成功，顯示“接通成功”，則說明系統(tǒng)已經(jīng)開始運(yùn)作，功能開始實(shí)現(xiàn)；中間和右邊部分都是對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)時(shí)情況的具體分析，顯示出實(shí)時(shí)環(huán)境中土壤實(shí)際溫度數(shù)值、環(huán)境溫度實(shí)際的數(shù)值、環(huán)境濕度的實(shí)際所占百分比以及光照強(qiáng)度的情況；手機(jī)部分是通過互聯(lián)WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)APP數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)情況，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)一一羅列出來，包括實(shí)時(shí)環(huán)境中土壤實(shí)際溫度數(shù)值、環(huán)境溫度實(shí)際的數(shù)值、環(huán)境濕度的實(shí)際所占百分比、光照實(shí)際強(qiáng)度的情況。手機(jī)APP檢測(cè)過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，進(jìn)一步測(cè)量計(jì)算他們各個(gè)部分的節(jié)點(diǎn)平均數(shù)值的情況。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

5.2 測(cè)試情況

經(jīng)過多次對(duì)土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，最終其檢測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能夠較為精確地檢測(cè)到想要測(cè)量的數(shù)據(jù)，土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)中傳感器DHT11能夠準(zhǔn)確地采集到外部環(huán)境的實(shí)時(shí)溫濕度，傳感器BH1750也能夠順利采集到實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度，同時(shí)溫度傳感器DSB18B20和土壤濕度檢測(cè)模塊可以正常運(yùn)行，檢測(cè)到土壤的溫濕度。各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以通過OLED液晶顯示屏進(jìn)行顯示，通過手機(jī)APP通信實(shí)現(xiàn)Wi-Fi技術(shù)，能夠使用戶獲取農(nóng)作物實(shí)時(shí)情況，包括土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫濕度。手機(jī)APP端經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)不僅可以清晰地展示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)情況，而且可以根據(jù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的情況分析其平均數(shù)據(jù)，使得檢測(cè)數(shù)據(jù)更加精確。當(dāng)然，其測(cè)量數(shù)據(jù)也會(huì)隨著環(huán)境情況變化而發(fā)生變化，進(jìn)行不斷地更新加載，以及數(shù)據(jù)檢測(cè)分析。

6 總結(jié)

結(jié)合當(dāng)下智慧型農(nóng)業(yè)進(jìn)行研究，本文設(shè)計(jì)了一款關(guān)于土壤溫濕智慧型檢測(cè)系統(tǒng)[4]。此系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上主要由主控電路、電源電路、顯示電路、復(fù)位電路、傳感器電路、下載電路、備用電路等七個(gè)部分組成。其中，ESP8266主控模塊在接收到溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息上傳至OLED液晶顯示屏和手機(jī)APP。在軟件設(shè)計(jì)上，其采用的是Arduino IDE進(jìn)行編譯。利用Wi-Fi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信，完成數(shù)據(jù)采集后傳輸至OLED液晶顯示屏和手機(jī)APP，用戶可通過OLED液晶顯示屏查看土壤溫濕度的數(shù)據(jù)信息，也可在手機(jī)終端使用項(xiàng)目自主設(shè)計(jì)的APP查看相關(guān)信息，該APP上的數(shù)據(jù)信息與OLED液晶屏上的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)同步。經(jīng)過實(shí)際電路測(cè)試，功能實(shí)現(xiàn)已經(jīng)完成，土壤溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)可以正常進(jìn)行運(yùn)作，達(dá)到理想效果。