基于Arduino控制板的蔬菜大棚環境參數無線采集系統

張燁

摘要：針對現代化農業蔬菜大棚生產過程中需要對大棚的環境信息進行采集和處理，以便為農戶的決策服務，設計了基于Arduino控制板的大棚環境信息無線采集系統。系統使用基于AVR單片機的Arduino控制板作為采集控制設備，實現對大棚的溫度、土壤溫濕度、光照等特征信息的采集、顯示、存儲及監測報警等功能。適用于對精細化農業生產過程中的信息采集等場合。

關鍵詞：Arduino控制板；傳感器；無線模塊；數據采集

中圖分類號： N945；TP274+.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0439-04

實現農業的現代化是我國發展的一個重要目標，而精準農業又是目前農業發展的大趨勢，代表了未來農業的發展方向。隨著我國城市化進程的推進，會占用大量的可耕地，我國的國情又是人多地少，需要大幅度提高土地的生產效率，才能產出更多的糧食，達到保證我國的糧食安全的目的。近幾年快速發展的物聯網技術為實現我國農業的精細化生產提供了可能。我國已經把“農業物聯網”納入到“十二五”“863”計劃中，可見國家對其的重視。

溫室大棚是我國北方農業中非常普遍的農業生產設施，為我國人們的“菜籃子”作出了很大貢獻，使大家在寒冷的冬天也能吃到豐富多樣的夏季時令蔬菜。但是，溫室大棚的生產設備普遍簡陋，大部分還是完全依靠人工來進行監控和操作，而且幾乎也沒有什么監控設施，嚴重影響蔬菜大棚的生產效率，造成了產出投入比低下的情況。冬天菜農最關心的是大棚內的光照度與空氣及土壤的溫濕度，因為這些信息對植物的種植和生長有非常大的關系。如果能夠實時監控這些關鍵信息，對提高蔬菜大棚的生產效率、增加菜農的收入、降低菜農的勞動強度及提高蔬菜種植的自動化程度非常有幫助。

目前有不少關于蔬菜大棚環境信息采集的文獻[1-13]，如文獻[1]提出了基于LabVIEW的蔬菜大棚監控系統，分布放置的傳感器將溫濕度、光照度和氣體濃度等環境參數變換成電信號，經處理上傳至PC機后，上位機軟件采用LabVIEW編寫，具有直觀效率高的特點，但該系統需要進行現場的布線是一大缺點。文獻[2]提出了基于ZigBee技術的農田信息服務系統，該系統結合基于32位單片機和數字信號處理器的嵌入式移動終端及WebGIS農田信息管理系統來獲得各種農田信息。文獻[3]提出了基于CC2533的ZigBee和ARM處理器的蔬菜大棚環境數據采集系統，實現了和3G無線通信進行數據的遠程傳輸。文獻[4]提出了基于 ZigBee 技術通過對傳感器節點、協調器節點、路由器節點和終端控制器的硬件和軟件設計，解決了傳統蔬菜大棚中布線難、節點移動性差和系統可擴展性差等問題，滿足了蔬菜大棚中環境參數自動監測的需要。

本研究結合我國北方蔬菜大棚的發展狀況和特點，也為了推進我國精細化農業的信息化發展水平，結合嵌入式技術和無線傳輸模塊，設計了基于Arduino控制板和無線數據采集和傳輸的溫室大棚環境信息的無線采集系統。系統主要包括環境信息如空氣的溫度、濕度及光照度，土壤的溫度、濕度等信息的采集處理模塊，無線傳輸模塊，上位機顯示。

1 系統整體設計

系統由Arduino Meag2560控制板、土壤溫度和濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照度轉換模塊和無線數據傳輸模塊組成，其中Meag2560控制板是系統控制中心，負責把采集上來的數據按照定義好的通信協議發送給上位機，數據主要包括溫室土壤的溫濕度、溫室空氣的溫濕度和光照度等。系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 Arduino Mega 2560控制板

Arduino是一款包含硬件和軟件的開源電子原型平臺，有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境，有大量的經過封裝的函數和大量的傳感器函數庫，非常方便和各類傳感器（溫度、壓力、速度、傾角等）進行對接。通過傳感器來感知環境進而控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環境。

本系統使用的Arduino Mega 2560為控制核心，是Arduino USB接口系列的最新版本，核心處理器是ATmega2560，具有54路數字輸入/輸出口（16路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，4路UART接口，1個16 MHz晶體振蕩器，1個USB口，支持I2C和SPI通信協議。

2.2 土壤溫濕度數據采集

土壤溫度數據采集模塊采用TC77，該溫度傳感器特別適用于低成本和小尺寸應用場合，并具有串行通信數字接口。工作時TC77僅消耗250 μA（典型值）的電流，因此成為在不同系統中實現溫度管理的理想選擇（圖2）。溫度對照表如表1所示。

土壤水分采集部分采用FC-28模塊，使用工作穩定的LM393芯片，非常適用于對土壤的水分檢測。通過滑動電阻的調節可以控制土壤水分的閥值，對土壤水分的控制范圍很大，當土壤水分高于設定值時，輸出LOW；低于設定值時，輸出HIGH（1）。其結構如圖3所示。

2.3 光照度模塊單元

光照度用單位垂直面積所接受的光通量表示。光敏二極管把可見光強度大小轉換為電信號進入單片機系統，然后根據溫度感應對光信號進行溫度補償后輸出精確的線性電信號。

本單元采用GY-30模塊作為光照度監測。該模塊內置16B AD轉換器，光照度范圍的0～216-1 lx，并帶有I2C總線硬件接口，方便和控制器進行連接（圖4）。模塊引腳表示如表2所示。

2.4 空氣溫濕度傳感器模塊

空氣溫濕度傳感器模塊采用RHT03-A，該模塊是一款單接口芯片的溫濕度模塊。其內部自帶有上拉電阻，一般不需要接外部上拉電阻，具有傳輸速度快、測量準確及連接方便等優點。適合于對溫濕度的精度要求較高的場合，如環境測量等，其和控制板的連接圖如圖5所示。

RHT03溫濕度傳感器采集的數據組成見表3。

校驗和為前面4 b的數據和的低8位數據。例如讀到的數據為Hex：01B8：02A5：60，則

濕度=44.0%。溫度=（677-400）/10=27.7。溫度的單位為℃，此數據有40 ℃的正偏移，需要在數據中減去偏移量40.0 ℃，本溫度數據沒有符號，如果讀到的數據為400以下則為負溫度，為0表示-40.0 ℃，校驗和為01 h+B8 h+02 h+A5 h=160 h，取低8位數據即為60 h。

2.5 無線數據收發模塊

APC220模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，內部嵌入了高速單片機和高性能射頻芯片。采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24 b連續突發錯誤。提供多頻道的選擇，可在線修改串口速率、發射功率、射頻速率等各種參數。能夠透明傳輸任何大小的數據，而用戶無須編寫復雜的設置與傳輸程序，同時具有體積小、寬電壓運行，能夠傳輸較遠的距離，空曠地帶可達 1 000 m 的優點，另外還具有豐富便捷的軟件編程設置功能，應用的領域非常廣泛，設置界面如圖6所示，和系統連接示意圖如圖7所示，系統整體結構圖如圖8所示，環境信息采集終端實物圖如圖9所示，串口調試界面如圖10所示。

3 系統軟件設計

3.1 底層軟件設計

底層軟件使用Keil c開發，該軟件是基于C語言的集成開發環境（IDE）。

程序主要包括大循環、各種傳感器數據的采集和轉換子程序，串口收發程序等。發送數據間隔5 s，采用自定義數據幀格式，每幀以0xFB開頭，0xFE結束，具體數據幀格式如表2所示，數據幀格式如表3所示，程序流程圖如圖11所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機的控制軟件采用VB 6.0編寫，通過采集終端將采集來的環境信息數據按照通信協議經由無線發送模塊發給上位機，經過數據接收和處理由相應的顯示控件進行實時顯示，同時把數據存入數據庫。主界面顯示如圖12所示，溫度曲線圖如圖13所示。

4 結束語

本研究基于Arduino控制板的溫室環境信息無線采集系統，能夠采集溫室大棚環境中的溫度、濕度、空氣的光照度等環境信息，應用于對精細化農業的種植。系統具有操作方便、簡單、抗干擾性強的特點，具有較高的推廣使用價值。

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