基于机智云平台的大棚智能管理系统设计

崔梦丹，张家华

（泉州信息工程学院，福建泉州362000）

0 引言

随着人民物质生活及消费水平的提高，对于食品安全的要求也严格起来，有机食品的消费潮流引领着大棚的发展，所以农民的首要追求是在降低投入成本和劳动成本的基础上，实现大棚的增值和收益。本文以单片机（STC15F2K60S2）为核心，采用无线传输技术，设计了一个基于机智云平台的大棚智能管理系统，用户可以通过APP实现远程实时监测和控制［1］，并调节相关变量的限值，使大棚的温度、光照强度、土壤的湿度、二氧化碳的浓度更加合理。

1 系统的硬件设计

系统由STC15F2K60S2单片机、光照模块、温湿度检测模块、CO2检测模块、土壤湿度检测模块、通风模块、风扇降温模块、自动浇水模块、报警模块、无线通信模块、机智云平台、手机APP组成。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

1.1 主控电路

STC15F2K60S2单片机是一种新型单片机，其速度远超早期51单片机，内部具有高精度R/C时钟，常温下温飘也相对较低。单片机外部硬件接线如图2所示。芯片的14管脚（VCC）接+5V供电，16管脚接地实现给单片机供电。它的27、26、24管脚分别是运行指示、补光指示、加热指示，各自连接一个限流电阻保证LED的正常运行。而23、29管脚分别连接浇水水泵和风扇的继电器驱动端。

图2 单片机外部硬件接线图

1.2 光强模块

光敏电阻是一种随着光照强度改变阻值大小的元器件。在光照增强时，阻值变小；在光照减弱时，阻值增大［2］。通过光敏电阻的特性来开关灯源，从而实现自动补光功能。光敏电阻接线图如图3所示。在一定电压的条件下，当光照强度越大则电阻越小，对应的电流越大，反之则电流越小。电路中光敏电阻串联一个10K的电阻用来限流。单片机上的8管脚引出LO获得当下的电流值与限值作比较，只有当LO处所在电路的电流值小于预设值时，打开补光灯（LED6），其余情况补光灯关闭［3］。

图3 光敏电阻接线图

1.3 温度传感器模块

本设计采用DHT11温湿度传感器，内部分别置有测温器件和电阻式元器件用来连接内置的小型单片机，无需额外的多余部件，具有较高的精度和长期的稳定性［4-6］。传感器的1引脚接地，2引脚接+5V供电电源，3引脚接到单片机的22管脚作单向数据传输。电路图如图4所示。

图4 温度传感器接线图

1.4 二氧化碳检测模块

MH-Z19是一种基于非色散红外（NDIR）原理的二氧化碳气体检测传感器，可以识别空气中的二氧化碳并检测其含量，具有使用期限长、灵敏度高且无氧气依赖性的特点。传感器外部4引脚接+5V电源，3引脚接地，2和1引脚分别是数字输出（DOUT）和模拟输出（AOUT），电路图如图5所示。同时，其器件内部含有温度补偿，可以实现数字与波形的输出，具有较高分辨率和较低功耗。

图5 二氧化碳检测模块电路图

1.5 土壤湿度检测模块

YL69土壤湿度传感器，采用不锈钢防水探针，可以满足定点监测和在线测量。通过将传感器的两个插片插在土壤里，测得当前的土壤湿度值，通过IN端与LM393相连。LM393是一个比较器，通过R1设置一个标准值，当湿度大时，OUT端输出低电平，相反输出高电平。OUT信号可以直接用来粗略估算湿度大小，具体电路如图6所示。

1.6 Wi-Fi无线通信模块

无线通信模块采用ESP8266串口无线AP+STA”（COM-AP+STA）模式，既可以被其他的Wi-Fi设备连接，又可以连接到其他的无线网络，实现串口与其他设备之间的无线数据互传［6］，具有低功耗、高集成度、超宽的工作温度的优点。芯片外部在RST和EN端分别串联一个10K的电阻；VCC端外接一个3.3V的降压芯片；UTXD、URXD直接与单片机的RXD、TXD连接，经测试通信正常。电路接线如图7所示。

图6 土壤湿度检测模块电路图

图7 ESP8266接线电路图

1.7 窗户通气模块

本设计采用ULN2003驱动步进电机实现窗户的开闭，具有电流较大且耐压能力强的特点。工作电压为5V，可直接与TTL以及CMOS电路直接相连，还能直接处理本需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。芯片外部VCC接+5V电源，GND接地。IN1～IN4是ULN2003的四个输入控制信号端，高电平有效。它主要构成脉冲（驱动信号）给电机用。具体电路如图8所示。

1.8 机智云控制平台模块

机智云控制平台基于路由器与ESP8266 Wi-Fi模块相连，在更改相应的参数后，智能终端（APP）与串口模块绑定，可实现远程控制设备。本设计是以机智云作为第三方平台，用ESP8266无线模块连入机智云平台，以此来实现APP远程控制设备。

图8 电机驱动模块接线电路图

2 系统的软件设计

主程序流程图如图9所示。

图9 主程序流程图

程序初始化（串口初始化、定时器初始化、用户协议初始化、机智云协议初始化、AD转换初始化）后进入循环。第一步进行按键扫描；第二步检测土壤湿度是否低于限值，若低于湿度限值则启动水泵浇水，10分钟后水泵自动停止，若没有低于土壤湿度限值则继续往下执行程序；第三步检测空气温度是否超过上限值，若超过温度上限值则打开风扇降温并启动蜂鸣器报警，若没有达到温度上限值则继续检测温度是否低于下限值，若低于下限值则启动蜂鸣器报警，若没有低于下限值则继续往下执行；第四步检测空气中的二氧化碳是否超过限值，若超过二氧化碳浓度限值则打开窗户通风并启动蜂鸣器报警，若没有达到二氧化碳浓度限值则继续往下执行程序；最后一步是检测光线亮度是否达到标准，若没有达到亮度标准则打开补光灯进行补光，若达到亮度标准则返回初始化，继续进行下一次循环。

3 系统调试

在模拟环境下对该系统进行调试，上位机实时控制界面如图10所示。系统的硬件实物图如图11所示。

图10 上位机实时控制界面

图11 硬件实物图

4 总结

本文设计了一个基于机智云平台的大棚管理控制系统。系统采用STC15F2K60S2单片机作为主控芯片，Wi-Fi芯片（ESP8266）作为物联网控制芯片，配合各功能模块的电路设计，用户可以通过安装智能手机应用程序远程实时监控。通过测试，该控制系统可以稳定、准确地进行远程实时监控。