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基于esp8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统设计

来源:测品娱乐
第40卷 第12期2019年12月

中国农机化学报

JournalofChineseAriculturalMechanization    g

Vol.40 No.12

019Dec. 2

:/DOI10.13733553.2019.12.10.cam.issn.2095-5jj

基于ESP8266的低成本物联网连栋温室

控制管理系统设计*

王鹏辉1,方素平1,黎奇2

()合肥市,西安市,1.合肥工业大学机械工程学院,230009;2.西安交通大学机械工程学院,710049

摘要:针对现有物联网温室自动控制水平较低,管理模式落后,通信结构复杂,建网成本高等缺点,设计一种基于ESP8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统。首先,给出系统的总体架构,并详细设计环境因子感知层、控制传输层和应用管其次,以S对系统的硬件结构进行设计;进而,基于Q设计远程监控理层;TM32作为温室内的控制器,tCreator开发环境, 最后,通过搭建物联网温室模拟试验装置,对本文所设计系统的可行性进行验证。试验结果表明,本系端控制管理软件;

控制与管理。统所设计的低成本物联网温室控制管理系统可有效实现各环境因子的实时采集、关键词:温室;环境因子;物联网;控制管理

)中图分类号:S24  文献标识码:A  文章编号:2095-5553(201912-0053-06

]王鹏辉,方素平,黎奇.基于ESP8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统设计[J.中国农机化学报,2019,40():1253-58,,reenhousePenhuiFanSuinLiQi.DesinoflowcostIoT mutilsancontrolandmanaementsstembasedWan   - -      gggpggpgyg  

],():ESP8266[J.JournalofChineseAriculturalMechanization2019,401253-58on     g

0 引言

自2012年2月14日工信部颁布我国第一个物联“》物联网十二五规划”以来,使得物联网五年规划—《

网在工业、金融、医疗等行业内的应用变得越来越普遍,同时也为我国现代农业的进一步发展带来了新的

]13-。机遇[

1 基于ESP8266的系统整体架构设计

1.1 ESP8266介绍

具有运ESP8266作为一款WIFI网络通信模块,行稳定、价格便宜等特点,该模块不仅能够运行,

]1012-。本文将也可作为子模块搭载于其他控制器运行[

通过将物联网技术应用于现代温室控制系统中,以提高温室控制系统的智能化水平,已成为现代温室

]46-。然而,发展的重要方向[目前我国现代化温室的研

利用内嵌的ESP8266模块通过串口和控制器连接,

/来实现串口数据与WTCPIP通信协议,IFI信号的转换,对控制器上与该模块连接的串口进行配置后,即可实//现数据的网络传输。ESP8266支持APSTAAP+STA三种工作模式,这里选择S即:TA工作方式,STM32控制器通过WIFI模块连接本地路由器后接入广域网。1.2 系统整体架构设计

温室现场以E以SP8266模块作为物联网通信平台,并在控制器上集成各环STM32作为温室内的控制器,

境因子传感器来采集温室内环境参数,在远程监控端的PC机上开发了控制管理软件实现对温室的远程控制和管理。整个系统分3层,即:环境因子感知层、控制传输层、应用管理层。系统整体架构如图1所示。

究还处于起步阶段,温室内的网络化程度低,自动控制能力不高,温室管理分散,缺乏一套先进的多栋温室管

]79-。理系统[

因此,基于上述研究的缺陷,本文利用ESP8266

模块对多栋温室进行集中组网,通过远程监控端接入网络对温室内的环境因子进行监控管理,使得温室内的控制器能够依据设置的环境因子阈值对不符合的环境因子进行自动调节,从而使温室内各环境因子值维持在适合农作物生长的水平。

收稿日期:2019年3月3日  修回日期:2019年11月1日

)国家自然科学基金面上项目(51775424*基金项目:

:第一作者:王鹏辉,男,陕西周至人,硕士;研究方向为自动检测及控制技术。E-m1993年生,ail63.comhwan211@1pg

:通讯作者:方素平,男,浙江龙游人,博士,教授,博导;研究方向为精密测控技术与设备。E-m1962年生,ailSfanail.xtu.edu.cn@mpgj

54 中国农机化学报2019年

图1 系统整体架构

Fi.1 Sstemoverallarchitecture  gy

1.2.1 环境因子感知层

作为系统整体架构的基础,该层通过不同种类传感器采集温室内的空气温度、湿度、光照强度、CO2浓度和土壤湿度5种环境因子数据,并将这些数据通过相应的接口传递给温室内的控制器,为温室的自动控制和科学管理提供准确和全面的依据。1.2.2 控制传输层

控制传输层由STM32控制器和ESP8266模块构成,作为连接感知层和应用管理层之间的桥梁,是整个控制系统的核心部分。该层中的控制器接收来自环境因子感知层传递来的环境参数数据,并对这些数据进行分析。通过将感知层的数据与已设置好的环境因子

对不符合要求的环境因子控制相应上下限进行比较,

的设备进行调节,各个环境因子的策略逻辑如图2所示。

为了用户更科学的管理和多个温室,温室内的环境因子数据和设备的运行状态信息必须上传给远程监控端。

然而由于温室与监控端距离较远,为实现两者之间数据的可靠传输,温室控制器借助ESP8266通信模块和远程监控端建立网络连接后接入广域互联网,在远程监控端接入网络的情况下可以实现对多个单体温室的集中组网管理和完成两者间信息、数据、指令的传输。

图2 环境因子策略

Fi.2 Reulationstrateofenvironmentalfactors   gggy 

1.2.3 应用管理层

远程监控端作为应用管理层,由Qt开发的控制管理软件和MSQL开发的3个数据库组成。3个数据y

设备运行状态数据库、作物库分别为环境因子数据库、

栽培知识数据库。该层在接收到控制传输层的数据和信息后,将它们存储在对应的数据库中。控制管理软

第12期王鹏辉等:基于ESP8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统设计55 

件通过连接环境因子数据库将数据直观的呈现给用户,用户也可通过控制管理软件发送指令给温室内的控制器。

因为对于不同的农作物在不同的生长阶段对环境因子的要求不同,所以在作物栽培知识数据库中主要存储了温室内所有作物不同生长阶段所需的环境参数,这些数据被写入控制器作为设定值和温室内当前的环境因子做比较,从而得出需要的环境因子。

 系统的硬件设计

本系统在硬件设计上选择STM32F103ZET6芯片作为控制器主控芯片,外扩数据采集模块、存储模块、触摸屏模块、通信模块、继电器模块和电源模块,再补充说明每个模块的主要作用,硬件总体设计如图3所示。

图3 系统硬件结构

Fig.3 Sy

stem hardware architecture.1 数据采集模块

对空气温湿度、光照强度、CO2浓度和土壤湿度的采集分别使用型号为SHT20、Max44009、MH-Z14A和FDS-100的传感器,其中SHT20和Max44009和控制器通过IIC总线进行通信,MH-Z14A与控制器通过USART接口连接,FDS-100通过模拟输出接口向控制器传输数据。.2 触摸屏模块

选用型号为DOP-B07S515的台达触摸屏来提高温室现场的人机交互能力,

各环境参数在触摸屏上以精确值和柱状图形式显示,用户也可单击触摸屏上的功能按钮实现对设备的现场控制。该触摸屏尺寸为7英寸,工作电压为24V,与控制器之间通过S485通信。.3 存储模块

对控制器外扩存储模块,用以储存温室环境因子实时数据和远程监控端写入控制器的环境参数设定值。该模块选用型号为W25Q64的Flash存储芯片,容量为8MB,通过SPI接口与控制器连接。.4 通信模块

在温室控制管理系统中,控制器通过型号为

ESP8266的WIFI模块接入网络,将温室内的环境因子数据和设备运行状态等信息用网络通信的方式传送给远程监控端,该模块在3.3~5V电压下正常工作。

2.5 继电器模块

在设备的控制回路中接入电磁继电器,控制器通过电磁继电器的开合实现对设备自动控制,本次设计采用型号为SPD-05VDC-SL-C的继电器,其工作电压为5V。2.6 电源模块

选用型号为RD-50A的3路开关电源供电,输入电压范围是AC176-264V,3路输出电压分别为

DC24V/2A、DC12V/2A、DC5V/2A,其中DC24V为触摸屏供电,DC12V为控制器供电,DC5V为继电器供电,其他模块供电取自STM32控制器。

3 系统软件的设计

系统软件的设计分为控制器中的主程序设计和远程监控端的控制管理软件的设计两大部分。3.1 控制器中的主程序设计

以STM32F103ZET6为核心的控制器主程序

是在Keil 

uVision5的开发环境下用C语言编写完成的。

主程序的工作流程为:首先进行硬件初始化设置,包括对系统时钟、中断类型及优先级、定时器和数据接口的初始化设置;其次通过ESP8266模块向监控端发送网络连接请求,控制管理软件接收到连接请求并处理后,连接建立;然后等待监控端控制指令到来,控制器收到指令并分析后,依据不同的指令进行工作,其程序流程图如图4(a

)所示。图中环境参数设置值指令用于将作物栽培知识数据库中的数据写入存储模块,用来和当前环境参数比较;

断开网络连接指令用于断开和温室端的连接,阻断数据传输;在手动控制模式下,用户通过控制软件中控制输出界面上的按钮远程控制温室内的设备;在自动控制模式下,可以自动完成对温室内环境因子的调节并设置控制器每隔30min将数据和设备运行状态信息上传给监控端。

自动模式下控制器的工作流程为:先使用传感器采集数据并将之储存在控制器内的存储区;然后判断上传时间是否到达,若时间到达,则上传数据和信息;接着将数据和环境因子设定值进行比较,如果符合条件,那么自动控制模式下的一次循环结束,反之,则开启相应的设备,直到环境因子数值达到要求为止,其程序流程图如图4(b

)所示。222R2256 中国农机化学报2019年

(a

)主程序流程图(b

)自动控制模式程序流程图图4 控制器工作流程图Fig.4 Controller workflow diag

ram.2 远程监控端控制管理软件设计

在Qt 

Creator开发环境下,用Qt完成控制管理软件的开发。Qt是一款跨平台的C++图形用户界面应用程序的开发框架,包含了丰富的界面类,使用这些已

经封装好的类可以很容易开发出本文所设计的系统[

13

]。远程监控管理软件由登录界面、主界面、网络连接界面、参数设置界面、数据显示界面、控制输出界面和数据管理界面组成,主界面由登录界面输入用户名和密码进入,可通过主界面上的按钮选择进入其他子界面,其结构和功能如图5所示,其中主界面如图6所示。

图5 控制管理软件结构和功能图

Fig.5 Structure and function diag

ram of control andmanag

ement software图6 主界面Fig

.6 Main interface 物联网温室控制管理系统模拟试验

.1 试验模拟装置搭建

通过上述对系统硬件设计和软件设计的介绍,本节使用亚克力玻璃搭建一个长800mm,宽500mm,高00mm的小型温室来模拟控制系统的运行过程,

验证设计方案的可行性,小型温室如图7所示。因为在温

室的所有环境因子中,空气温湿度这两项是主要因子,所以在本节测试中主要对这两个环境因子进行。测试地点为安徽省合肥市,时间2019年2月23日∶00~18∶00,每隔30min上传一次温室内数据和信息给监控端。对于大部分植物而言,一般白天的适

44663第12期王鹏辉等:基于ESP8266的低成本物联网连栋温室控制管理系统设计57 

宜温度为20℃~28℃,湿度在40%RH~50%RH为

宜[14-15]。据此设置温湿度上下限,使用通风机、天窗、

加湿器和加热片来对温湿度进行调节。控制器和其他硬件模块装入小型温室内,温室模拟装置与远程监控端相距约2km,本次测试预期的目标要求如下。1

)在控制管理软件的数据显示界面能够实时的显示空气的温湿度、光照强度、CO2浓度和土壤湿度数值。

)要求控制器依据设置好的温湿度上下限值,能够自动地打开或关闭相应的设备。

3)要求温湿度值分别稳定在20℃~28℃、40%RH~0%RH范围之间。

图7 温室模型Fig

.7 Greenhouse model1.

通风机 2.推杆 3.天窗 4.加热片 5.控制器 6.开关电源.2 试验结果

由于此次试验只搭建了一个温室,所以在监控管理软件的数据采集界面中选择温室编号为1。系统刚开始运行后,监控端软件的数据采集界面如图8所示。

图8 系统开始运行时数据显示界面

Fig.8 Data display interface at system beginning 

runtime可以看出,在上午6点温室内的温度为4℃,低于温度设置下限;湿度为68%RH,高于湿度设置上限;因此加热片、通风机应该打开,从图中可以看出这两个设备均已处于打开状态,对温湿度进行调节。半小时后的数据采集界面如图9所示,可以看到此时温湿度分别为22℃和48%RH,

处于设置的上下限之间,通风机和加热片关闭。通过将各个时刻采集到的温湿度数据绘制成折线图,可以很直观看出温室内的温湿度值在20℃~28℃和40%RH~50%RH范围内变化,如图10所示。

图9 系统运行30min后数据显示界面

Fig.9 Data display 

interface 30minutes after system running图10 温湿度变化图

Fig.10 Temperature and humidity 

change chart 结论

本文采用ESP8266作为无线通信组网平台,完成了物联网连栋温室控制管理系统的设计,先依据系统所要完成的功能制定了总体方案;然后设计了系统的硬件结构,完成了各个硬件模块的选型并介绍了其主要功能;接着,使用Qt框架开发出了控制管理软件,实现对温室的远程控制和管理;最后,搭建了物联网温室模拟装置,对本文所设计的系统进行试验验证。1)温室内的控制器可以依据设定的环境因子上下限,控制设备对需要的环境因子进行调节。

)远程监控端的控制管理软件能够实时显示各环境因子数值,并能根据设置的时间及时更新数据。3

)对得到的温湿度数据进行整理后,发现温湿度值分别稳定在20℃~28℃和40%RH~50%RH之间,达到预期的要求,整个系统运行稳定、可靠,满足设计的要求。

参 考 文 献

[1

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,,JunchaoZhanQianZhaoYan.DesinofenvironZhu    -ggg reenhousementalmonitorinsstemforariculturalbased     ggyg 

]InternetofThins[J.JournalofChineseAriculturalon      gg,():2018,39976-80.Mechanization

[]柳军,陶建平,孟力力,等.基于物联网技术的温室环境监控2

],():系统设计[J.中国农机化学报,20163712179-182.,,M,JunTaoJianinenLilietal.DesinofareenLiu     -pgggghouseenvironmentmonitorinsstembasedonInternetof     gy 

technoloJ].JournalofChineseAriculturalThins    gy[gg,():2016,3712179-182.Mechanization

[]M,recision3atIKassim M R M,HarunA N,etal.IoTin     p

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reenhouseDesinoflowcostIoTmutilsancontrolandmanaementsstembasedonESP8266  -  -        ggpgy

112

WanPenhuiFanSuinLiQi ,  gggpg,  

(,1.SchooloMechanicalEnineerineeiUniversitoTechnoloeei230009,China;   f gg,Hfyf gy,Hf 

2.SchooloMechanicalEnineerinXi'anJiaotonUniversitXi'an,710049,China)   f gg,g y,

:,,AbstractInviewoftheshortcominsoftheexistinIoT-Greenhousesuchaslowlevelofautomaticcontrolbackwardmanaement              ggg 

,,comlexcommunicationstructureandhihcostofnetworkconstructionalowcostIoT multisancontrolandreenhousemode         - -   pgpg,,sstembasedonESP8266isintroducedinthistheoverallstructureofthesstemisandtheenvimanaementaer.Firstliven                 -yygppyg

,,ercetionronmentfactorlaercontroltransortlaerandalicationmanaementlaeraredesinedindetail.SecondlSTM32is             ppypyppgygy,,reenhouseasthecontrollerintheandthehardwareofthesstemisdesined.Furthermorethecontrolandmanaementsoftused                 -gygg

,wareforremotemonitorinterminalisdesinedbasedontheQtCreatordevelomentenvironment.Finallthefeasibilitofthess               -ggpyyy  temdesinedinthisisverifiedbbuildinasimulationtestdevicefortheIoTexerimentalresultsshowthataerreenhouse.The                 gygpppg  

,lowcostIoTcontrolandmanaementsstemdesinedinthiscaneffectivelrealizetherealtimeacuisitionthereenhouseaer -              - gygyqgpp controlandmanaementofvariousenvironmentalfactors.      g

:;;;reenhouseKewordsenvironmentalfactorInternetofThinscontrolandmanaement     gggy

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