基于Arduino的土壤溫濕度遠程監測系統設計

李戈琦等

摘要：基于Arduino控制板，設計了一套時效性強、方便易用的土壤溫濕度遠程監測系統。該系統以Arduino Ethernet控制板為核心，采用DHT11高精度傳感器為溫濕度數據采集模塊，通過網絡將溫濕度數據發布到物聯網平臺，并使用瀏覽器或者智能手機隨時查看。通過分析及試驗表明，該系統精確度高、成本低，是一套可靠的監控系統，對農業機械化有極大的促進作用。

關鍵詞：Arduino；溫濕度；遠程監控；物聯網

中圖分類號：S714 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4060-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.059

Design of Soil Temperature and Humidity Remote Monitor System Based on Arduino

LI Ge-qi， ZHANG Yan，XIANG Lun-lun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hainan University，Haikou 570228， China）

Abstract：Based on Arduino control board， a timeless， easy-to-use soil temperature and humidity remote monitor system was designed. With Arduino Ethernet as control center， DHT11 high precision sensor as the data collector module of temperature and humidity， the data of temperature and humidity were sent to networking platform by internet， and then using any browser or smart phone to read. From the analysis and experiments， this system have high precision and low cost， is reliable monitoring system which can play important role for the agricultural mechanization.

Key words： Arduino； temperature and humidity； remote monitor； internet of things

隨著科學技術的快速發展，農業機械化、智能化及現代化已成為農業發展的趨勢。尤其近年來移動互聯網的迅速發展，4G、Wlan、GPRS等無線通信的出現[1]，手持互聯網終端的廉價化以及多樣化、物聯網等新概念的提出，都為實時狀況監測提供了必要條件，使人們隨時隨地了解所需信息成為可能。而土壤作為農業的根基，對作物生長有著深遠的影響。了解土壤的各項指標，才能把握住農業生產的良好時機并做出應對措施。本設計利用硬件開源平臺Arduino以及諸多程序代碼以及免費的物聯網平臺來實現遠程實時土壤溫濕度監控，具有時效性強、成本低廉、結構簡單的特點。

1 系統硬件設計

1.1 Arduino控制板

Arduino是一個開源硬件項目平臺，核心設備是一個ATmega128微控制器。該平臺包括一塊具備簡單I/O功能的電路板及一套程序開發環境軟件[2]。所選擇的Arduino Ethernet是一塊Arduino網絡版，將微型處理器換成了性能更加優異的ATmega328，并同時具有14路I/O數字接口（其中6路可作為脈沖寬度調制輸出），6個analog輸入接口，一個16 MHz晶振，一個有線網絡接口，同時附帶儲存卡插座以及直流電源孔，和一個重啟按鈕[3]。本設計通過該主控板將傳感器采集的數據處理后，通過有線網絡發送至互聯網（圖1）。相對于其他微型控制器開發平臺，Arduino最大的優點就是它的易用性，并在相當短的時間內開發出自己的項目。

1.2 DHT11溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器屬于數字傳感器的一種，其功耗低、抗干擾能力強、體積小、價格低，能同時測量溫度與濕度，滿量程校準，而不需要重新校準，可以互換使用，快速響應時間，滿足使用要求。傳感器以電阻式濕敏元件和熱敏電阻作為測溫元件的集成，連接一個8位微處理器[4]。將已調校正確的數據燒錄進一次性可編程只讀存儲器，傳感器內部檢測信號處理過程中會直接讀取。該傳感器精度高、工作簡易快捷，其性能指標如表1所示。

由于DHT11傳感器外形小巧，可輕松封裝進金屬保護殼中，在使用過程中插入土壤，能提高測量精度。圖2是加裝了銅鍍鋁合金外殼的DHT11傳感器，耐腐蝕性大幅提升，除測量土壤數據外，更可以用預埋或打孔插入等方式測量混凝土的溫濕度。

圖3為DHT11傳感器。它與控制板都是采用1-Wire格式通信，一次通訊可以發送40 bit的數據，可將溫度和濕度的具體數據拆分為2個部分發送：整數部分與小數部分，每個部分占用8 bit，余下8 bit數據為校驗后的正確數據。傳感器為4pin引腳封裝，從左到右分別為Pin1電源+極、Pin2串行數據、Pin3空腳、Pin4地線。當控制板發送啟動信號之后，傳感器開始工作，并從低能耗待機模式轉換為高能耗工作模式。在控制板的啟動信號發送完成后，觸發傳感器進行數據采集，然后將40 bit的數據發送到控制板?？刂瓢鍥]有發出程序開始信號時，傳感器不會采集土壤數據，以低能耗模式待機。endprint

1.3 系統連接

將DHT11傳感器的Pin1與Arduino主控板的5 V電源相連，Pin2接上數字輸入接口，Pin4接上GND，如傳感器與主控板之間距離小于20 m，則需要在數據跟電源之間并聯上5 kΩ的電阻。將有線寬帶接入主控板的RJ45接口，并插上5 V DC電源。所有硬件連接完畢后，在下一個環節輸入代碼，整個系統便可正常運行。DHT11引腳接線圖如圖4所示。

2 系統軟件設計

2.1 物聯網平臺

物聯網（The Internet of Things，IOT）的基本思想來自于20世紀末，1999年美國麻省理工學院研制的無線射頻身份識別（RFID）系統標志著物聯網的雛形的出現，將所有物品加裝無線射頻識別模塊與互聯網連接，實現對物品的管理與識別。隨著信息技術的進步，物聯網概念得到進一步拓展，即“以未來網絡為基礎，能自我配置的全球性網絡設施，網絡上的每個單位都有惟一的物理特征或編碼，通過良好的交互界面實現數據傳輸與分享”[5]。中國物聯網技術的早期發展，可以追溯到20世紀末的物聯網核心傳感器網絡技術研究。2009年8月，溫家寶的“感知中國”講話促進了我國物聯網領域的深入研究和應用開發，物聯網正式列為了我國五大新興戰略性產業之一，使得我國的物聯網產業迅猛發展，并涌現出一批以樂聯網為首的物聯網開放平臺。該平臺的出現，極大地方便了個人和小型企業用戶。

圖5為系統實物連接圖，圖6為本系統設計的電路原理圖。在本系統設計中，選擇樂聯網為互聯網平臺。它的特點有：①簡單易用，只需稍微設置網絡與設備便可輕松使用；②優秀的數據處理能力，可以完成海量數據的存儲和訪問，并提供數據分析；③多客戶端，手機App可以隨時查看數據，時效性強。在注冊樂聯網賬號之后，進入個人中心，查看網站分配的惟一API接入ID，此API ID作為上傳數據的用戶身份標識，具有惟一性。

2.2 Arduino IDE

給Arduino寫入程序，并讓它按規律完成使用IDE（集成開發環境），它是開發者提供給用戶的一款免費軟件，并使用Arduino可理解的語言（跟C語言類似）來開發程序。由于Arduino的硬件和軟件都是開放的資源，這意味著代碼以及程序設計可以被任何人使用、加工和發布。并且IDE中集成了多種多樣的程序代碼。LeweiClient--append_send調用預置的物聯網通訊LeweiClient庫，與服務器進行單向通信。

代碼如下所示：

#include //調用Leweiclient庫

#include

#include

#include

#define LW_USERKEY "b7f28ecde1a6475093c

f05ed802b7596"http://樂聯網的API接入ID

#define LW_GATEWAY "01"http://樂聯網傳感器01號端口

#define POST_INTERVAL （30*1000） //延時更新 30秒發送一次數據

LeWeiClient *lwc；

補充溫濕度轉換代碼：

#define DHT11PIN 2 //傳感器

dht11 DHT11；//溫濕度轉換函數

double dewPoint（double celsius，double humidity）

{

double A0= 373.15/（273.15 + celsius）；

double SUM = -7.902 98 * （A0-1）；

SUM += 5.028 08 * log10（A0）；

SUM += -1.3816e-7 * （pow（10， （11.344*（1-1/A0）））-1） ；

SUM += 8.1328e-3 * （pow（10，（-3.491 49*（A0-1）））-1） ；

SUM += log10（1013.246）；

double VP = pow（10， SUM-3） *humidity；

double T = log（VP/0.610 78）； //temp var

return （241.88 * T） / （17.558-T）；

}

double dewPointFast（double celsius，double humidity）

{

double a = 17.271；

double b = 237.7；

double temp=（a * celsius）/（b + celsius） + log（humidity/100）；

double Td = （b * temp） /（a - temp）；

return Td；

}

3 系統性能分析

本系統特點在于信息的遠程監控、多客戶端監控，時效性高。實測證明，該系統的溫度測量精度為±2 ℃，濕度測量精度為±5%RH，數據更新頻率30 s/次。DHT11溫濕度傳感器作為新一代的傳感器，智能化程度高，內置了校驗數據使采集的數據更為精確，并且在沒有收到主控板指令的時候為待機狀態，能耗更低。

4 小結

傳統的土壤溫濕度檢測方法有直接測定法（人工取土進行試驗研究）、間接測定法（測定土壤中與濕度有關的物理參數、GPS田間定位法和遙感法[6]。這些方法測定過程復雜、無法連續檢測、周期長、效率低、人為誤差較大，而且管理方式落后，與農業現代化機械化理念相悖，并且要安排專人值守，人力資源過度浪費。在農業生產中，土壤溫濕度采集工作頻繁，該系統不但可節省大量人力物力，更可實現土壤溫濕度的遠程監控。該系統在精度與誤差控制上，與傳統方法相比有突出的優點，并且采集速度更快。由于使用了模塊化設計，該系統成本低廉，易于安裝與維護，適合在農業生產中推廣。

參考文獻：

[1] 秦 華，孫曉松.基于Arduino/Android的環境狀況監測系統設計[J].無線互聯科技，2013（1）：59-61.

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012（8）：155-157.

[3] 袁本華，董 錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統設計[J].安徽農業科學，2012，40（8）：5049-5050.

[4] 倪天龍，單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（6）：60-62.

[5] 孫其博，劉 杰.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（3）：1-9.

[6] 熊麗萍.基于無線傳感器網絡的農田土壤溫濕度檢測[J].電子世界，2014（10）：60.