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基于arduino +機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的陽(yáng)臺(tái)生態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 李軍輝 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院
摘要 以基質(zhì)培養(yǎng)的綠色植物所在的半封閉陽(yáng)臺(tái)系統(tǒng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)基于Arduino Uno WIFI +機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù),通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)器。用戶(hù)通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)終端下載應(yīng)用APP,訪問(wèn)機(jī)智云服務(wù)器,實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù),通過(guò)遠(yuǎn)程啟動(dòng)灌溉、補(bǔ)光、關(guān)窗等操作調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)采用無(wú)線連接的WIFI +云服務(wù)器的形式,不需布線和支付移動(dòng)費(fèi)用,整個(gè)硬件系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用,可應(yīng)用在城市居民的陽(yáng)臺(tái)植物種植上。
作者簡(jiǎn)介： 李軍輝（1972—），男，河北石家莊人，北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械工程。
1 陽(yáng)臺(tái)生態(tài)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析
關(guān)于陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一些研究。浙江大學(xué)周趙鳳等基于ST M8S208C8T6芯片, 設(shè)計(jì)了基于TJA1050芯片CAN總線營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)控制系統(tǒng)和無(wú)土栽培的陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培機(jī)控制器[1];西北農(nóng)業(yè)大學(xué)梁鑫等研究了陽(yáng)臺(tái)農(nóng)場(chǎng)控制系統(tǒng)[2];國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心郭文忠等基于STM32F103微控制器,設(shè)計(jì)了陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)立體栽培自動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了軟硬件結(jié)合的自動(dòng)補(bǔ)水與補(bǔ)光控制[3];電子科技大學(xué)高虎等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP為遠(yuǎn)程控制端, 以STM32單片機(jī)為控制中心,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控陽(yáng)臺(tái)上晾衣、澆花等功能[4];南陽(yáng)理工學(xué)院李云強(qiáng)以Arduino Uno作為主控芯片,通過(guò)GSM模塊與手機(jī)通信,設(shè)計(jì)了基于Arduino的智能溫室大棚控制系統(tǒng)[5]。還有大量學(xué)者對(duì)控制策略進(jìn)行了研究。
2 陽(yáng)臺(tái)植物環(huán)境監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
陽(yáng)臺(tái)植物生態(tài)環(huán)境是一個(gè)半封閉、空間小的生態(tài)系統(tǒng),是一個(gè)時(shí)變非線性的多輸入多輸出系統(tǒng)。系統(tǒng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等各個(gè)參數(shù)相互作用、相互耦合,難以建立比較準(zhǔn)確的控制模型。簡(jiǎn)單的控制策略難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)控,生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境控制策略一般采用智能控制組合策略,可解決各個(gè)參數(shù)相互耦合造成的超調(diào)和震蕩,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)更好地控制,使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和適應(yīng)性[6]。常用的控制策略有基于模糊的PID模糊控制策略、遺傳模糊控制策略、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略、專(zhuān)家控制策略等,根據(jù)陽(yáng)臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),采用比較成熟的模糊PID控制策略,設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),見(jiàn)圖1。
2.1控制系統(tǒng)的組成
由圖1可知,陽(yáng)臺(tái)植物生態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)由環(huán)境感知模塊、環(huán)境調(diào)整控制模塊、環(huán)境參數(shù)顯示模塊和環(huán)境調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊四部分構(gòu)成。環(huán)境感知模塊包括土壤濕度傳感器、溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等,用于實(shí)時(shí)采集生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù);環(huán)境調(diào)整控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,采用Arduino Uno開(kāi)發(fā)板,一方面實(shí)時(shí)接收感知模塊的數(shù)據(jù),上傳物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器,另一方面接收遠(yuǎn)程控制指令,下發(fā)執(zhí)行模塊;調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊由灌溉控制電機(jī)、開(kāi)窗控制電機(jī)等組成;環(huán)境參數(shù)顯示模塊由LCD顯示器、遠(yuǎn)程移動(dòng)終端構(gòu)成。
2.2 控制系統(tǒng)的運(yùn)行
環(huán)境感知模塊的傳感器實(shí)時(shí)采集陽(yáng)臺(tái)植物生態(tài)環(huán)境的溫度、濕度、光照參數(shù),并上傳至Arduino開(kāi)發(fā)控制板,控制板將環(huán)境參數(shù)顯示在本地LCD顯示器上,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展部分上傳至物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器,供移動(dòng)終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問(wèn)。遠(yuǎn)程終端用戶(hù)根據(jù)植物的環(huán)境參數(shù),在APP上通過(guò)云服務(wù)器向Arduino開(kāi)發(fā)板下達(dá)指令,通過(guò)灌溉、開(kāi)窗等調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)。另外,控制系統(tǒng)也可設(shè)置環(huán)境參數(shù)閾值,自動(dòng)調(diào)整生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)。環(huán)境執(zhí)行模塊接到云端指令后,啟動(dòng)灌溉電機(jī)進(jìn)行灌溉,開(kāi)啟開(kāi)窗電機(jī)、補(bǔ)光燈進(jìn)行環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)。
3 控制系統(tǒng)硬件組成
控制系統(tǒng)主要應(yīng)用在城市家庭陽(yáng)臺(tái),為了便于推廣應(yīng)用,硬件選用原則為價(jià)格便宜、性能可靠、精度夠用。
3.1 Arduino控制板
Arduino控制板是應(yīng)用廣泛的開(kāi)源硬件平臺(tái),其價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大,對(duì)硬件配置要求低。本文選用Arduino Uno開(kāi)發(fā)版作為系統(tǒng)控制核心,開(kāi)發(fā)版通過(guò)WIFI 擴(kuò)展模塊連接網(wǎng)絡(luò)。微控制器采用的是Atmel的ATmega328。在軟件方面,Arduino有基于Eclipse 的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境自身的軟件平臺(tái),采用類(lèi)C的語(yǔ)言進(jìn)行編程,模塊化的封裝函數(shù)供程序開(kāi)發(fā)者調(diào)用,預(yù)裝了Bootloader程序,不需要外部燒寫(xiě),很容易編寫(xiě)代碼并通過(guò)USB端口下載到開(kāi)發(fā)板上。簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。
Arduino Uno 開(kāi)發(fā)板通過(guò)輸入輸出通道接受溫度、濕度、光照傳感器采集的環(huán)境參數(shù)信號(hào),通過(guò)I2C接口驅(qū)動(dòng)在LCD顯示屏上顯示。移動(dòng)終端通過(guò)機(jī)智云發(fā)來(lái)的遠(yuǎn)程指令和智能控制策略,驅(qū)動(dòng)補(bǔ)光、灌溉電機(jī)、開(kāi)窗電機(jī)等,調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境。將傳感器上傳的參數(shù)通過(guò)WIFI模塊,上傳到機(jī)智云服務(wù)器,供移動(dòng)終端遠(yuǎn)程訪問(wèn)。
3.2.1 土壤濕度傳感器
本文選用奧松機(jī)器人的土壤濕度傳感器,它通過(guò)測(cè)量土壤相對(duì)含水率來(lái)確定土壤濕度大小。工作原理是土壤的電阻值因含水量的不同而不同,通過(guò)2個(gè)探頭間的阻值變化來(lái)反映土壤的濕度情況,如圖3所示。當(dāng)傳感器探頭懸空時(shí),三極管基極處于開(kāi)路狀態(tài),輸出為0。土壤濕度不同使三極管的基極提供了大小變化的導(dǎo)通電流,發(fā)射極經(jīng)過(guò)下拉電阻后轉(zhuǎn)換成電壓[7]。設(shè)定輸出與濕度的關(guān)系,0～30為干土壤、30～70為濕土壤、70～95為水。土壤濕度傳感器共引出3個(gè)引腳,分別是電源正 Vcc、電源地 GND、信號(hào)端 S,將土壤濕度傳感器直接連接到 Arduino UNO 控制器的模擬引腳,例如 A1引腳,見(jiàn)圖3。
3.2.2溫度傳感器采用DHT11
DHT11溫濕度傳感器體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng),輸出數(shù)字信號(hào)已校準(zhǔn)。內(nèi)部的8位單片機(jī)與空氣濕度元件和空氣溫度元件相連,輸出數(shù)據(jù)可由數(shù)據(jù)采集設(shè)備直接讀取。傳感器的OTP內(nèi)存中存有程序形式的校準(zhǔn)系數(shù),在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)進(jìn)行校正[8]。采用單線制串行輸出接口,4針單排引腳封裝。DHT11數(shù)字溫度傳感器模塊共引出3個(gè)引腳,分別是地線GND、電源Vcc和數(shù)據(jù)線S。實(shí)際應(yīng)用時(shí),將S端接在Arduino Uno的一個(gè)數(shù)字輸入接口。傳感器分辨率為0.1°C,精度為±0.5°C,檢測(cè)范圍為- 40°C ～80°C,工作電壓為3.3～5.5 V。如圖4所示。
3.2.3光照強(qiáng)度傳感器
GY-30光照強(qiáng)度傳感器,采用ROHM原裝BH1750FVI芯片,I2C數(shù)字接口,支持速率最大為400 Kbps。傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器直接數(shù)字輸出,省略復(fù)雜的計(jì)算,省略標(biāo)定,通過(guò)計(jì)算電壓獲得有效數(shù)據(jù)。供電電源為3～5V,光照度范圍為0～65535 lx,分辨率最小到1 lx,精度誤差最大值為±20%。不區(qū)分環(huán)境光源,接近視覺(jué)靈敏度分光特性,可對(duì)廣泛亮度進(jìn)行1 lx高精度測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)NXP IIC通信協(xié)議模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換,與5V單片機(jī)IO直接連接。在Arduino Uno硬件上,A4、A5連接GY-30的SDA、SCL引腳,見(jiàn)圖5。
3.2.4 esp8266 WIFI接入模塊
Arduino采用WIFI形式接入互聯(lián)網(wǎng),采用ESP8266模塊集成到Arduino Uno 開(kāi)發(fā)版上。它是超低功耗的UART-WIFI 模塊,封裝尺寸小,可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到WIFI 上,進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。
3.2.5 物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)機(jī)智云
物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)接受系統(tǒng)傳感器上傳的參數(shù),供遠(yuǎn)程客戶(hù)訪問(wèn);接受遠(yuǎn)程客戶(hù)下達(dá)的命令,發(fā)送給Arduino控制器,通過(guò)執(zhí)行模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)。平臺(tái)向開(kāi)發(fā)者提供API接口,為開(kāi)發(fā)者提供數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)服務(wù)。規(guī)模比較大的平臺(tái)有 Scinan、Arrayent、COSM/Pachube 、機(jī)智云等。COSM是目前用戶(hù)量最大的開(kāi)放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),能通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)源硬件或者單片機(jī),實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的上傳和存儲(chǔ),還提供一系列的數(shù)據(jù)展現(xiàn)方式。
本文采用機(jī)智云平臺(tái),它向開(kāi)發(fā)者提供了非常方便的智能硬件開(kāi)發(fā)框架和云服務(wù)功能。在平臺(tái)上可以直接定義產(chǎn)品和進(jìn)行設(shè)備端開(kāi)發(fā)調(diào)試,并提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品測(cè)試、云端開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)服務(wù)功能,覆蓋智能硬件的全生命周期服務(wù)
4 軟件設(shè)計(jì)及主要工作流程
在機(jī)智云創(chuàng)建開(kāi)發(fā)者帳號(hào),輸入物理地址創(chuàng)建新產(chǎn)品,輸入產(chǎn)品數(shù)據(jù)點(diǎn),創(chuàng)建產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息,見(jiàn)圖6
4.1.創(chuàng)建虛擬設(shè)備
機(jī)智云數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置
4.1.1 應(yīng)用開(kāi)發(fā)
硬件層面上,機(jī)智云提供已經(jīng)燒錄GAgent(固件)的通訊模塊,實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用(APP應(yīng)用、機(jī)智云云端)到設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)通訊,以及配置入網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)綁定。軟件層面,機(jī)智云提供開(kāi)發(fā)框架代碼實(shí)現(xiàn)了底層通信協(xié)議的解析封包,通信數(shù)據(jù)與傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,并供開(kāi)發(fā)API接口。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,在代碼框架事件處理邏輯中添加環(huán)境傳感器、電機(jī)、水泵等控制函數(shù)。當(dāng)設(shè)備偵聽(tīng)到云端或APP端的數(shù)據(jù)后,代碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成事件通知應(yīng)用層設(shè)備。下發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)是APP、云端控制設(shè)備,經(jīng)過(guò)云端直接下發(fā)給GAgent。上報(bào)設(shè)備數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)中設(shè)備主動(dòng)上報(bào)當(dāng)前狀態(tài),當(dāng)設(shè)備MCU收到WIFI模組控制產(chǎn)生的狀態(tài)變化,設(shè)備MCU立刻主動(dòng)上報(bào)當(dāng)前狀態(tài),發(fā)送頻率不受限制。
4.2 Arduino Uno 控制板開(kāi)發(fā)
智能陽(yáng)臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)以Arduino Uno為控制核心,支持C 語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě), 底層驅(qū)動(dòng)程序由匯編語(yǔ)言編寫(xiě), 對(duì)外采用C 語(yǔ)言接口。程序開(kāi)發(fā)環(huán)境選用軟件Arduino IDE5.0,操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 7(32位)。在Arduino IDE5.0配置開(kāi)發(fā)環(huán)境,導(dǎo)入機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的硬件開(kāi)發(fā)庫(kù)文件,開(kāi)發(fā)各模塊庫(kù)函數(shù),編譯好程序后下載到開(kāi)發(fā)版進(jìn)行調(diào)試。該系統(tǒng)程序主要由主程序、初始化子程序、偵聽(tīng)遠(yuǎn)程讀指令函數(shù)、遠(yuǎn)程控制模塊APP、讀取環(huán)境光照子程序、讀取土壤濕度子程序、讀取空氣溫度子程序組成。程序流程見(jiàn)圖7。
4.3遠(yuǎn)程控制端APP開(kāi)發(fā)
機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的Android平臺(tái)SDK封裝了手機(jī)與機(jī)智云智能硬件的通訊過(guò)程,手機(jī)與云端的通訊過(guò)程。提供配置入網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)、連接、控制、心跳、狀態(tài)上報(bào)、報(bào)警通知等。APP開(kāi)源框架提供用戶(hù)注冊(cè)登錄、配置設(shè)備入網(wǎng)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)控制、消息推送等功能,見(jiàn)圖8。
遠(yuǎn)程app控制
5系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
本系統(tǒng)在陽(yáng)臺(tái)實(shí)訓(xùn)室測(cè)試時(shí),陽(yáng)臺(tái)已經(jīng)裝入寬帶并提供WIFI環(huán)境,控制板通過(guò)WIFI接入網(wǎng)絡(luò)。首先,打開(kāi)手機(jī)APP,讀取陽(yáng)臺(tái)的溫度、土壤濕度、光照環(huán)境參數(shù),檢測(cè)溫度、濕度和光照傳感器是否正常工作,也可遠(yuǎn)程通過(guò)Arduino終端節(jié)點(diǎn)控制照明燈、澆水和開(kāi)窗繼電器的開(kāi)關(guān),見(jiàn)圖9。
Android APP工程工作
6結(jié)論
通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試,基于Arduino +機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的陽(yáng)臺(tái)生態(tài)控制系統(tǒng)可有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制陽(yáng)臺(tái)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境,具有安全可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),可以推廣到寵物飼喂等系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可實(shí)施性,在城市具有很大的應(yīng)用空間,并有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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