基于 Arduino 和 WiFi 的温室监控系统

0 引 言

随着现代农业科技的改革与发展，温室大棚因其涉及范围广、科技含量高、与人们生活密切相关等，已成为各国农业飞速发展的必要条件。实现温室大棚环境监测，实时监测大棚内温湿度和光照等环境因素是否稳定，各环境因素是否在植物可接受范围内 [1]，最终达到植物生长所需的最佳环境因素。

本文系统将 Arduino 单片机、各类环境因素相关的传感器、ZigBee 无线通信和手机 APP 开发相融合 [2]，设计一种切实可行的温室大棚环境监测系统。该系统能够符合不同地域的气候特征，使得温室大棚内的环境参数都能符合植物正常生长的条件，且总体结构简单，便于应用。

1 系统总体方案

1.1 方案设计步骤

本文方案具体实施步骤如下 ：

(1) 本文设计由温度、湿度和光照强度传感器、Arduino 主控芯片、WiFi模块、传感器和手机 APP组成，主要实现温室大棚中温湿度和光照信息采集、数据处理、数据传输及数据查看功能 [3]。

(2) 调试温度、湿度和光照强度传感器的读值程序。

(3) 使结果显示在 APP上，每隔 500ms便发送数据到ESP8266，数据以温度 |湿度 |光照强度的方式传送并显示。

1.2 系统总体框图

系 统 采 用 Arduino主 控 芯 片，ESP8266串 口 WiFi， LM35温度传感器，HR202湿度传感器和BH1750光照传感器，总体框图如图 1 所示。

1.3 系统整体功能

系统主程序流程如图 2 所示。电路板通电后，温度、湿度和光照传感器会采集温室大棚的信息并传送至 Arduino 主控芯片处理。芯片发送数据至 ESP8266，ESP8266 通过与手机 APP 通信发送至手机 [4]，按下 WiFi 模块开关，手机通过WiFi 模块发出的 WiFi 信号与模块连接，然后打开手机环境监测系统 APP，APP 会显示温室大棚实时对应的温度、湿度和光照强度的测试值 [5]，实现远距离监测报警功能。

2 系统硬件设计

2.1 Arduino 单片机

简单来说，Arduino 单片机是一个基于开放和构建原始码的软硬件平台，并且拥有广泛的类似 Java 与 C 语言的编程环境 [6]。Arduino 简单易懂、操作简单，包含硬件部分各种型号的操作板和软件部分的 IDE 编程环境。Arduino IDE编程利用基于 Wiring 的编程语言和 Arduino 开发环境实现。

2.2 LM35温度传感器

经过对温度传感器性能与安全方面的比较，本文系统选择 LM35 作为采集温室大棚温度值的传感器。该传感器工作性能稳定，测量精度高，误差较小，额定使用范围广，可直接接电源工作，工作流程如图 3 所示。

2.3 HR202 湿度传感器

经过对湿度传感器性能与安全方面的比较，本文系统选择 HR202 作为采集温室大棚湿度值的传感器。该传感器可广泛应用于各种测试湿度的环境中，通过电位器调节灵敏度。长期使用性能稳定安全，现已广泛应用于医疗、仓库、工业控制和科研等领域 [7]。

2.4 ESP8266 WiFi 模块

ESP8266 是一款超低功耗的 WiFi 透传模块，广泛应用于互联网和移动设备的无线连接领域，可实现互联网或局域网的通信。ESP8266 能够独立运行，也可搭载在其他扩展版上运行，工作时传输性能稳定，传输距离远。

ESP8266 的高速缓冲存储器可减少内存需求，并且可以从主控芯片接收信息，无线传输到所需要的 PC 端或手机APP 等 [8]。该模块成本低、体积小、传输速率快，可直接连接 Arduino 实现数据传输功能，有 STA，AP 与 AP+STA 三种工作模式。

2.5 CC2530 ZigBee 无线通信模块

CC2530 是一种基于 IEEE 802.15.4 的短距离、低功耗的无线通信模块，具有近距离、低成本、低数据速率与自组织等特点。系统内可编程闪存，主要适用于自动与远程控制领域，可工作在 2 400 ～ 2 450 MHz 的公用频段。通过该模块可使传统的串口设备进行无线连接，主要用于点对点与广播等通信 [9]。

3 手机 APP 制作与显示

E4A 是一种专门针对安卓手机 APP 开发的软件，由开发区与代码区两部分组成。开发区针对手机 APP 显示界面，代码区针对手机 APP 的语言编程环境 [10]。APP 设计界面如图 4 所示。

4 系统测试结果分析

按照电路图把模块与元器件在网孔板上连接成一个整体，下载好程序后开始测试。得到系统测试值，2 个节点通电后，显示当前环境下所采集到的温湿度和光照强度。硬件实物如图 5 所示。

通过人为改变节点周围温度与光照等条件，系统测试值发生明显变化，并且当温度值高于上限 30、低于下限 5，湿度值高于上限 1 000、低于下限 200，光照强度值高于上限800、低于下限 10 时，都会有蜂鸣器报警与 APP 界面报警，从而实现温室大棚的环境监测与移动监测报警功能。经过多次测量对比，温度测量值与实际值误差在 ±0.25 ℃之间 ；湿度值误差在 2％～ 3％RH 之间 ；光照强度值误差在 0.5％～ 3％lx之间，总体误差较小，测量值较准确。

5 结 语

本文系统经过方案设计、硬件制作、软件开发调试、系统测试等一系列步骤，多个节点都能正常显示采集参数与通信，达到了数据精度要求。手机 APP 制作成功并安装到手机，通过 WiFi 模块连接节点与手机，节点间采用 ZigBee 无线通信传递数据，实现了手机 APP 上显示温、湿度及光照强度与报警功能。