基于WiFi的智能园林管理系统设计与实现_魏佳敏.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第15期No.152023年8月Aug.2023收稿日期：2022-03-25稿件编号：202203201基金项目：河南省教育厅高等学校重点科研项目（22B520027）；河南省社科联调研课题（SKL-2021-1353）；平顶山学院教学改革研究项目（2020-JYZD13）作者简介：魏佳敏（2000），女，河南新乡人。研究方向：通信工程。面对全球范围内的环境污染、空气阴霾问题，建造城市人工绿化园林是改善自然环境的有效措施，但在园林管理方面，我国仍处于相对落后的地位，尚未形成完善的园林管理系统1。当前我国园林管理多以人工方式进行管理，城市园林养护和监督管理工作中的问题日益突出，传统方式已不适应园林建设发展速度。因此对智能园林管理系统的研究是十分迫切的，为提升园林管理效率，该文融合嵌入式技术、传感器技术和 WiFi通信技术，设计和开发一款基于WiFi的智能园林管理系统。1系统总体设计方案该智能园林系统以 STM32F103C8T6 单片机作基于WiFi的智能园林管理系统设计与实现魏佳敏，常新峰（平顶山学院 信息工程学院，河南 平顶山 467000）摘要：为加快园林管理智能化、信息化进程，提升园林管理效率，设计一款基于 WiFi的智能园林管理系统。系统选用STM32F103C8T6作为主控制器，利用温湿度、土壤、烟雾等传感器对园林环境数据进行实时检测、分析，并根据检测结果对危险情况进行自动报警或控制。同时，选用 ESP8266WiFi模块结合ONENET云平台实现远程传输，实现手机APP端对采集数据进行可视化展示与管理的功能。实验表明，系统监测精确性高、控制效果好、操作简便，可切实完成园林的智能化管理，节省了大量的人力物力。关键词：智能园林；ONENET云平台；WiFi；远程控制中图分类号：TN806文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）15-0084-06DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.15.018Design and implementation of intelligent garden management system based on WiFiWEI Jiamin，CHANG Xinfeng（College of Information Engineering，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China）Abstract:In order to accelerate the process of intelligent and informatization of landscape managementand improve the efficiency of landscape management，an intelligent landscape management system basedon WiFi is designed.The system selects STM32F103C8T6 as the main controller，uses temperature andhumidity，soil，smoke and other sensors to detect and analyze the garden environment data in real time，and automatically alarm or control the dangerous situation according to the detection results.At the sametime，ESP8266WiFi module combined with ONENET cloud platform is selected to realize remotetransmission，which meets the function of visual display and management of collected data in mobileAPP.Experiments show that the system has high monitoring accuracy，good control effect and simpleoperation，which can effectively complete the intelligent management of gardens and save a lot ofmanpower and material resources.Keywords:intelligent garden；ONENET cloud platform；WiFi；remote control-84为核心控制器，采用 WiFi通信完成远程传输2。该系统由采集与控制端，数据传输端以及远程监控信息端组成，分别对应于物联网三层体系架构的感知层、网络传输层以及应用管理层3。采集与控制端由温湿度模块，土壤湿度模块以及烟雾模块等构成，实现不同环境数据的采集，并将数据传递给主控模块。系统选用七针的 OLED屏作为显示模块，蜂鸣器作为报警模块，及采用继电器控制水泵来实现控制模块。数 据 传 输 端 主 要 由 ESP-8266WiFi 模 块 及ONENET云服务器构成。WiFi模块通过串口AT指令与单片机通讯，实现数据传输端与采集控制端的数据交互。基于 EDP协议，将主控模块整理打包的数据通过WiFi发送至ONENET云平台。远程监控端主要通过客户端 APP 实现。一方面，数据通过云平台的储存和转发到手机APP，实现数据的可视化监控。另一方面，用户可通过手机APP下发命令，经云服务器转发后，由硬件设备进行命令解析与响应，实现远程控制。智能园林系统的总体框图如图 1所示。系统可完成各项环境参数的采集，实现阈值的设置及环境参数的管控、数据的远距离无线传输以及用户实时的控制操作。2硬件设计系统由主控模块单片机、电源电路、数据采集电路、WiFi通信电路以及显示电路构成。电源电路为该系统供电，显示电路用于显示各环境参数的数值和当前模式4。传感器数据采集电路由温湿度、烟雾浓度、土壤湿度等模块构成，用于检测对应的环境参数，获取相应的信息。WiFi通信电路用于实现传感器部分采集的数据与云平台之间的交互。2.1STM32单片机智能园林系统选用STM32F103C8T6单片机作为主控模块，其适用的温度在-4085，适用范围较广，性能稳定。该系统选用3.3 V电压，单片机的I/O口数量适中，在进行合理的部署与设计下，可以很好地满足该系统的需求。单片机最小系统是保证单片机工作的基础，其最小系统电路图如图2所示。通过传感器模块、显示模块、通信模块连接，可实现智能监测控制5。图2STM32F103C8T6最小系统电路图图1系统框图魏佳敏，等基于WiFi的智能园林管理系统设计与实现-85电子设计工程 2023年第15期2.2数据采集电路数据采集电路可细分为温湿度、土壤湿度、烟雾浓度采集电路。温湿度信息采集选用 DHT11模块，温湿度的精度及可测试的范围均可满足该系统的需求，DHT11的测温、测湿功能分别由其内部的 NTC测温元件和电阻式感湿元件来实现。它们获得温度和相对湿度的模拟量后，经内部的 AD转换器转换成数字量，由单线串行接口发送到单片机。将 DATA 数据口接单片机 PB11 口，另外两个引脚分别与 VCC 与地进行相应的连接，为 DHT11 供电。接口电路如图 3所示。图3DHT11接口电路图烟雾浓度采集电路选用 MQ-2烟雾传感器。在该系统中，采集该模块的模拟量输出，即选用 AO模拟电压输出端，使其与单片机的 ADC1通道 5相连，即 PA5 引脚。TTL 电平输出引脚（DO 引脚）做悬空处理。由于 MQ-2 中气敏材料的特点，当烟雾浓度变大时，电导率相应的变大，输出电阻的阻值也会相应的越低，从而 MQ-2 模块输出的模拟信号也会随之变大，主控芯片进而通过模数转换实现数据的收集。烟雾传感器模块接口电路图如图4所示。图4烟雾传感器接口电路图该系统中采用YL-69型土壤湿度传感器来进行土壤湿度的检测，其原理是将土壤作为一个可变电阻。利用两个插片连接这个可变电阻，当土壤湿度大时，该电阻值会减小，反之，电阻值会变大。对应湿润度的标定，选用输出电压的模式，通过接入单片机将模拟量输入，进而转换成相应的数值。将传感器 AO 引脚其与单片机 PA4相连，进行模数转换，并根据一定的算法得出当前的土壤湿度。其接口电路原理图如图5所示。图5土壤湿度接口电路原理图2.3显示电路该系统显示模块选用0.96寸七针OLED显示屏，由于其自发光的特点，不再添加背光。其显示区域为12864的点阵，具备小巧轻便、显示效果清晰、耗电较低、对比度高的特点6。模块共有七个管脚，采用SPI方式驱动OLED。硬件设置上1-7脚分别接单片机的 PB12、PB14、PA8、PB15、PB13、电源和 GND7。接口电路原理图如图 6所示。该部分用来显示各数据参数，以及手动/自动模式的状态。图6OLED显示屏接口电路图2.4WiFi通信电路远程数据监控终端与数据传输端进行交互时，起关键作用的就是无线通信模块部分。该系统用ESP8266WiFi 模块与 ONTENET 平台进行通信。且其 价 格 低、稳 定 性 高、串 口 速 率 可 达 4 Mbps。ESP8266WiFi 模块可支持高性能的无线 SOC，可通过 AT 指令快速上手，并且支持 STA、AP 以及 AP 和STA共存的三种工作模式。该设计中，从以上的工作模式中选择 STA 模式作为 WiFi模块的工作模式，完成手机与通信模块之间的数据通信。通信模块与单片机之间通过串口来相互通信，单片机会将采集到的各种环境数据进行打包，并用串口传输的方式上传到 WiFi模块8。数据由 WiFi模块根据 EDP 协议将环境数据转成相应的格式发送到云平台，消息类型选择SaveData类型，消息子类型采用 JSON 格式串8。通信模块的 RX、TX 口分别接单片机的 PA3（TXD）口和 PA2（RXD）口，WiFi模块电路接口电路图如图7所示。3软件设计3.1系统终端程序设计软件设计的主要任务：STM32 单片机使用单总-86线获取DHT11模块采集到的温湿度大小，通过DMA双 ADC 接口来连接烟雾浓度模块、土壤湿度模块，在采集到传感器的模拟量后，通过算法得到烟雾浓度和土壤湿度的值。当烟雾浓度超标时，驱动蜂鸣器进行报警。使用USART2 串口进行单片机与WiFi模 块 的 通 信，然 后 将 采 集 到 的 环 境 数 据 上 传 到ONENET物联网云平台上，云平台下发手机 APP，从而进行数据的可视化显示，同时可以在 APP界面进行一些控制命令的下发，如管理系统的模式设置及水泵的运行9。主程序流程示意图如图8所示。图8主程序流程示意图软件部分总体工作流程如下：1）初始化系统及各个模块的设置：系统时钟的初始化、串口 USART1 的初始化、定时器 TIM2 及TIM3 初始化以及 OLED 显示屏、DHT11、ADC、土壤湿度与烟雾模块的初始化10。2）WiFi 通信模块初始化：WiFi 模块 I/O 初始化及复位、将 ESP8266 模块的命令收发模式设置为STA、通过 STM32 发送相关的 AT 指令、控制 WiFi通信模块连接上路由器11。3）接入云平台：若连接成功，就将单片机采集到的 环 境 数 据 每 23 s 一 次 通 过 WiFi 模 块 发 送 到ONENET云服务器，并更新数据到OLED显示屏上。4）手机端 APP 可以控制系统的运行模式，在手动模式下，可通过APP下达水泵的开启与关闭命令，执行相应的动作。在自动模式下，系统根据设置的土壤湿度范围进行自动调整，当土壤湿度小于20%RH 时，立刻打开水泵浇水的，在土壤湿度大于35%RH时，进行关闭水泵的操作。3.2温湿度模块子程序首先，进行 DHT11的初始化，配置 PA11引脚的模式，将其配置为推挽输出模式，而后根据模块的时序图进行相应的配置。由于总线空闲状态为高电平，所以将PA11引脚拉高。接着进行DHT11的复位操作，设置 DHT11的 I/O口为输出模式，配置为拉低至少 18 ms，接着再拉高 2040 s，在这段时间内等待 DHT11的回应，这时需要改变 I/O口为输入模式，等待 DHT 传输的低电平。若等待 100 s 仍未拉低则返回1表示错误，未检测到DHT11的存在，若检测到低电平后在检测到高电平则返回 0，表示 DHT11存在。当检测到 DHT11 后，则需要读取数据。首先，编写 DHT11_Read_Bit()函数来读取一个字节，即检测到DHT11的低电平后，延时40 s，若仍为高，则读取一位数据为 1，反之则为 0。编写函数 DHT11_Read_Byte()利用循环左移八位来读取一字节的数据。DHT11模块传输一次完整的数据为40 bit，数据格式分为五部分：湿度整数及小数数据、温度整数及小数数据、校验和，每部分占 8 bit顺序传输，当数据传送正确时校验和结果等于前四部分相加。只获取整数部分作为测得的温度与湿度值。温湿度模块子程序流程图如图9(a)所示。3.3土壤湿度模块、烟雾模块子程序首先，进行对 AD 端口的初始化，配置单片机的PA4 和 PA5 引脚为输入模式，而后配置 ADC 通道 4和通道 5初始化，定义土壤传感器为 ADC通道 4，定义烟雾浓度传感器为 ADC通道 5，使能指定的 ADC1的软件转换启动功能12。等待转换结束后，循环获取五次 ADC规则组的转换结果，即循环获取五次采集的值，再取平均值，以使结果更加准确。由于单片图7ESP8266电路原理图魏佳敏，等基于WiFi的智能园林管理系统设计与实现-87电子设计工程 2023年第15期机 ADC 为 12 位，所以测出值为 04 096，将值缩小40.96 倍，使结果取值范围为 0100，由于 ADC 获取数值与需要的值相反，因此需用 100 减去得到的值。土壤湿度模块子程序流程图如图 9(b)所示，烟雾模块子程序流程图如图9(c)所示。3.4OLED显示模块子程序首先，进行 OLED 屏幕的初始化，设置 PB12、PB14、PA8、PB15、PB13 端口为推挽输出模式，复位SSD1306，驱动 IC 初始化代码，清零显存，开始显示13。接着设置命令口的地址，判断读状态字忙时，进行写命令寄存器，等待初始化完成后，设置数据口的地址，再次判断读状态字状态，读状态忙时，写显示数据，并将取模软件取出的数据写入。模块子程序流程图如图9(d)所示。图9子程序流程图3.5系统应用设计系统应用程序主要包括 Web程序、手机 APP程序两个部分组成。APP和系统终端之间的数据交互是通过ONENET平台来实现。在该设计中采用EDP协议接入，EDP 是 ONENET 平台特有的传输协议。该协议基于TCP进行传输，具有较强的功能，可以实现数据的上传、下发及转发功能，接收数据时支持七种格式，实现起来也较为简单。系统内置传感器采集到的温度、湿度以及烟雾等各类数据，借助 STM32 嵌入式平台的 WiFi 功能上传云平台14。ONENET平台可以实时接收来自系统终端的数据，并对数据进行分析、监测、存储等，也可以将接收的数据实时同步到手机 APP 端，用户通过 APP可以实时的查看植物的生长情况，方便用户进行远程监控。ONENET 也可以接收来自APP 的控制命令数据，通过 ONENET 云平台进行命令的转发，随后下发至硬件部分进行命令的解析，实现远程的操控15。在平台的应用设计界面，针对不同的数据流添加不同的图标来进行表示，同时也可以添加相应的控件进行命令的下发，如图 10所示。图10应用开发界面在应用区设计了由基础元素和控制元素构成的组建库，基本元素包含了对植物生长情况的数据统计，如温度、湿度、土壤湿度以及烟雾浓度的仪表盘。控制元素主要包括了开关功能按钮，实现对园林系统模式的远程控制16。-884系统测试1）当系统上电后，各模块进行初始化，OLED显示屏显示出当前的温度为 25，相对湿度为 30%RH，土壤湿度显示66%RH，模式显示为自动模式，DHT11模块、土壤湿度模块功能正常运行，能够正确地获取当前的环境数据。系统实现了温度、湿度、土壤湿度的实时监测功能。而烟雾显示为 1 000 ppm，这是由于烟雾模块的初始化，其数值先达到最大值，再慢慢降下来，所以起初蜂鸣器将进行报警，等待片刻，当烟雾浓度小于750 ppm时，停止报警。2）测试自动模式，当土壤湿度传感器浸没在水中时，OLED显示土壤湿度为 53%RH。将土壤湿度模块拿出水面后，土壤湿度降为0，水泵开始工作，再将土壤湿度放入水中，土壤湿度为 72%RH，水泵停止工作。根据上述测试，自动模式正常工作，系统实现了智能灌溉。3）测试烟雾超标报警，用火机制造烟雾，此时烟雾浓度显示为 1 000 ppm，蜂鸣器进行报警，随后等烟雾值小于750 ppm时停止报警。4）接着用手机开热点，使与 WiFi 模块进行连接，设置手机热点名称与密码，保持与代码相一致，打开手机 APP，可观察到接收到来自 ESP8286 的数据显示在屏幕上。将接收到的环境数据与 OLED显示的环境数据作对比可知，系统的通信功能测试正常。在APP上将自动模式切换到手动模式，OLED显示屏模式显示同样由自动变为手动模式。在手动模式下，通过APP开关控制水泵为开启状态，水泵执行相应操作，系统实现了WiFi通信功能。按照该文的功能需求，开发了系统硬件部分，微处理器能够稳定运行，能够顺利采集温湿度和烟雾数据，并在显示屏上显示当前数据，同时能够将数据通过无线发送至服务端。当采集的数据出现异常时，能够及时按照目标自动实时控制水泵浇水，保证土壤湿度在设定的范围内。5结论该文设计了一款基于 WiFi 通信技术的智能园林管理系统。该系统主要实现对植物生长环境中温湿度、土壤湿度、烟雾浓度等参数自动化采集与传输，借助 ONENET 云平台与 WiFi 通信技术的结合，实现远程对数据的可视化分析及管理，使用户能够随时随地进行系统访问观测数据，方便及时管理。今后可与人工智能、大数据、云计算等技术进一步结合，打造真正的智慧化智能园林体系。参考文献：1 李寒.基于物联网的智慧农业大棚控制系统设计D.保定：河北大学,2021.2 孙伟刚,张发菊,沈月娟,等.一种智能抽水灌溉系统的设计J.数字技术与应用,2021,39(2):4-6.3 龚华明,阴躲芬.物联网三层体系架构及其关键技术浅析J.科技广场,2013(2):20-23.4 类杰,韩玉,谢印忠.基于物联网的温湿度监控系统设计J.电脑知识与技术,2021,17(29):17-19,23.5 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