基于樹莓派與ESP8266的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

祝朝坤 王顯然

摘要：針對我國溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要以對環(huán)境的監(jiān)控為主，具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測困難、數(shù)據(jù)難以保存、系統(tǒng)平臺要求較高、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。為此本設(shè)計提出了一種基于ESP8266與樹莓派的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ESP8266主控芯片對DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時傳給OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時顯示，并能將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送到用樹莓派搭建的MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。并設(shè)計了基于B/S架構(gòu)的溫室環(huán)境Web管理信息子系統(tǒng)，用戶通過手機(jī)客戶端及網(wǎng)頁可遠(yuǎn)程查看環(huán)境內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)變化情況，以及選擇查看每分鐘、每小時、每天的歷史數(shù)據(jù)，以便總結(jié)更加適合的溫濕度范圍。本設(shè)計提出的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、數(shù)據(jù)采集速度快、界面設(shè)計簡潔、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能對溫室環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制，具有較好的使用價值和意義。

關(guān)鍵詞：信息管理；ESP8266；MySQL數(shù)據(jù)庫；樹莓派

0引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室種植中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。秦琳琳等人基于 CAN 總線的現(xiàn)代溫室測控系統(tǒng)的設(shè)計及實(shí)現(xiàn)可以有效監(jiān)測環(huán)境，但系統(tǒng)硬件成本高、設(shè)備體積大[1]。田壯壯等人設(shè)計的基于PHP&MySQL的教室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)沒有得到有效保存[2]。國內(nèi)外溫室多數(shù)為中、小規(guī)模，為適應(yīng)實(shí)際情況，引入中、小型種植戶的資金，智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)充分考慮成本問題[3]。因此開發(fā)出成本低、性能好、具有對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)對于溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

通過對溫室環(huán)境中溫度與濕度的信息進(jìn)行深入了解后，做了系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、以及測試，最終實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，并植入用樹莓派搭建的服務(wù)器內(nèi)。本系統(tǒng)基于 B/S 框架，硬件通過 ESP8266對 DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時傳給 OLED 顯示屏進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，并能將數(shù)據(jù)通過 TCP/IP 協(xié)議傳給數(shù)據(jù)庫。軟件部分前端界面采用 JS與 CSS 技術(shù)，后臺采用 PHP 編程語言，并結(jié)合 MySQL數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計上做到了可擴(kuò)張可維護(hù)，服務(wù)器采用樹莓派自行搭建。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度的收集與保存及檢測環(huán)境溫濕度是否超出上下限等功能，使用戶方便快捷地了解溫室環(huán)境內(nèi)溫濕度變化情況，對溫濕度進(jìn)行有效管理，為當(dāng)前溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理提供了幫助。

1研究的主要內(nèi)容

系統(tǒng)主要分軟件和硬件兩部分來研究，以軟硬件結(jié)合的方式收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)在網(wǎng)頁上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察。

1.1硬件部分

1）首先通過 ESP8266對 DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2） ESP8266接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，同時傳給OLED 顯示屏進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，并能將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 發(fā)送到 MySQL 數(shù)據(jù)庫。

3）將本系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫植入用樹莓派搭建服務(wù)器中。

1.2軟件部分

1） MySQL 數(shù)據(jù)庫可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

2）用戶登錄系統(tǒng)查看溫濕度實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可選擇性查看每天、每小時、每分鐘數(shù)據(jù)變化。同時可增刪改查溫濕度的上下限，當(dāng)溫濕度超出所設(shè)定的上下限時會出現(xiàn)相應(yīng)的提示信息。管理員還可修改工作人員的訪問權(quán)限，工作人員可修改自己的個人信息。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件包括 ESP8266控制模塊、DHT11溫濕度傳感器和 OLED 顯示屏，軟件角色分為管理員和工作人員，另有溫濕度管理與員工管理等相關(guān)功能。如圖1所示。

2.2系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳遞方式

ESP8266模塊調(diào)用庫函數(shù)readTemperature（）和readHumidity（）分別獲取 DHT11收集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，同時傳給 OLED 顯示屏進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，通過調(diào)用 ESP8266Wi-Fi 中的庫函數(shù)，定時將數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派搭建的服務(wù)器中。主控芯片用帶有服務(wù)器 IP 地址及端口號的命令client.print（String（"GET "）+url +" HTTP/1.1＼r＼n"+"Host："+ host +"＼r＼n"+"Connection： close＼r＼n＼r＼n"）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)進(jìn)行廣播查找與服務(wù)器連接。在樹莓派中創(chuàng)建 PHP 文件分別利用$_GET（temp）和$_GET（hum）獲取 ESP8266發(fā)送的溫度和濕度數(shù)據(jù)，通過 INSERT INTO 語句將數(shù)據(jù)插入MySQL 數(shù)據(jù)庫中，并在 MySQL 數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行處理和保存，用 PHP 編寫可視化網(wǎng)頁圖形顯示數(shù)據(jù)庫中的溫濕度數(shù)據(jù) [1]。如圖 2 所示。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

用戶進(jìn)入系統(tǒng)需輸入用戶名和密碼判斷用戶是否已注冊，如果已注冊則判斷是否可以登錄成功，若登錄失敗將重新輸入，若登入成功將進(jìn)入系統(tǒng)。若沒有注冊則輸入個人信息進(jìn)行用戶注冊，輸入有誤將返回重新輸，輸入正確將注冊成功進(jìn)入系統(tǒng)。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后可觀察溫濕度的實(shí)時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)，并可增刪改查溫濕度上下限。若以管理員的身份進(jìn)入系統(tǒng)還可查看、修改和刪除員工個人信息。如圖 3 所示。

3系統(tǒng)界面設(shè)計

3.1系統(tǒng)中登錄和注冊功能界面的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的界面設(shè)計包含了系統(tǒng)的注冊界面、登錄界面、溫濕度顯示界面、員工信息界面以等他各功能界面，溫濕度顯示界面分別由每天、每小時、每分鐘3個溫濕度顯示界面組成。如圖4所示。

3.2系統(tǒng)主界面的實(shí)現(xiàn)

成功登入本系統(tǒng)將進(jìn)入本系統(tǒng)的主界面溫濕度顯示界面。該界面主要分為3部分，上半部分是溫度和濕度實(shí)時數(shù)據(jù)，這部分每1 min更新1次，便于員工觀察溫室中溫濕度的變化情況。下半部分是溫度和濕度的歷史數(shù)據(jù)，便于員工總結(jié)最適合溫濕度，中下部有增刪改查溫濕度上下限按鈕，當(dāng)溫濕度超出所設(shè)定范圍時會出現(xiàn)相應(yīng)的提示，用戶可及時發(fā)現(xiàn)并做出有效的措施。如圖 5 所示。可根據(jù)需求通過界面的切換觀察每分鐘、每小時、每天的數(shù)據(jù)變化，本功能通過對表中數(shù)據(jù)進(jìn)行 ORDER BY time DESC 按照時間升序的方式進(jìn)行排序，通過 time（time）與 date（time）函數(shù)分離時分秒與年月日，并用 DATEDIFF（）與 BETWEEN（）分別獲取前 10 d 內(nèi)和前 10 h 的所有溫濕度數(shù)據(jù)，計算出每天、每小時的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

在下部分表中同一時間段有 3 條實(shí)線數(shù)據(jù)從上至下依次為上限、實(shí)時數(shù)據(jù)和下限，1 條虛線為平均數(shù)值。在每個表的左上角都設(shè)有 5 個按鈕（如圖 6 所示）從左到右依次為表單、折線圖、柱狀圖、更新和下載數(shù)據(jù)圖功能符號。點(diǎn)擊相應(yīng)符號會出現(xiàn)相應(yīng)界面如表單（以溫度表為例如圖7）和柱狀圖（以溫度表為例如圖8）多樣化顯示可使用戶簡潔快速查看數(shù)據(jù)。

3.3員工管理界面的實(shí)現(xiàn)

管理員有權(quán)限進(jìn)入員工管理界面，該界面中可清晰觀察員工信息，為方便查看更多信息在表下方創(chuàng)建了滑動條。在表中留有“刪除”和“修改”按鈕列，當(dāng)員工個人信息發(fā)生變化時可以及時對該員工個人信息進(jìn)行刪除或修改。為解決快速查找某個人的個人信息問題，本系統(tǒng)利用員工 ID 唯一性創(chuàng)建“ID 搜索”窗口，方便精準(zhǔn)快速查找員工。如圖9所示。

4系統(tǒng)電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中僅有少量的數(shù)據(jù)需要處理為降低成本主控芯片采用 ESP8266 D1 Mini 開發(fā)板足以驅(qū)動傳感器及顯示器，并可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。溫濕度傳感器選用 DHT11具有體積小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于不同環(huán)境下監(jiān)測。顯示器選用輕薄短小、省電的 OLED 屏幕。硬件設(shè)備整體小巧精致，方便放置于各種環(huán)境中。如圖10所示。

5數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)需要本系統(tǒng)選用 MySQL 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)都是該系統(tǒng)的重要組成部分，因此在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時高度注重數(shù)據(jù)庫的隔離性、一致性、持久性和原子性。本系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)庫表為保存溫濕度以及存儲時間表，時間字段為 time 類型定義為datetime 型，并添加自動獲取索引，考慮到溫濕度的精度及觀察方便溫濕度類型定義為fl oat 型小數(shù)點(diǎn)后兩位。如表 1 所示。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計采用軟件網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)庫與硬件ESP8266 開發(fā)板、OLED 顯示屏和 DHT11 溫濕度傳感器在樹莓派做服務(wù)器的情況下相互結(jié)合，使兩大學(xué)科相互交叉，打破了傳統(tǒng)純硬件設(shè)計及純軟件開發(fā)的常規(guī)思維方式，設(shè)計出溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測與觀察，而且可將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行保存與處理，并以可視化的形式展現(xiàn)在網(wǎng)頁上供多人遠(yuǎn)程查看。有利于觀察生產(chǎn)生活及植物生長發(fā)育所需更適合溫濕度范圍，對提高生產(chǎn)生活效率及植物生長發(fā)育速率有很大的幫助，存在一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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