基于物联网平台的温度和照度远程测量系统

2021-01-27蔡光师

物联网技术 2020年12期

李海，蔡光师

（华南农业大学电子工程学院人工智能学院，广东广州 510642）

0 引言

在农业生产领域，土壤条件、温度和照度是对农作物生长、农产品产量和品质产生重要影响的三个因素[1-2]。因此，除了土壤条件，精准的远程监测并记录环境温度、照度，及时做出有效反馈对高品质农业生产具有重要的意义。为此，本文设计了基于物联网平台的温度和照度远程测量系统，通过WiFi把系统测量的农作物数据传送至物联网平台，从而实现高效的农业生产。

1 系统设计

1.1 开发板

开发板是信息采集与处理的核心，本系统采用Arduino UNO开发板。Arduino开发板于2005年开发成功，其独有的开放性和易用性备受开发者青睐[3-4]。目前，Arduino系列开发板有多个不同版本，包括Arduino UNO、Arduino Nano等。其中，Arduino UNO开发板配套有Arduino IDE开发软件，丰富的第三方库资源，无需编写繁琐复杂的底层驱动程序，开发快捷，支持I2C、SPI等多种串行通信方式，且价格低廉，运算能力及内存均可满足本系统的需求。

1.2 温度传感器

本系统采用的DS18B20数字型传感器能直接将信号作为数字量输出，不易受外界信号干扰，具有较高精度和较高分辨率[5]。此外，DS18B20数字型传感器与Arduino适配性好，且Arduino集成有适用于DS18B20的第三方数据库，编程及既定功能容易实现。

1.3 照度传感器

本系统采用的GY-30照度传感器是照度传感器型号中使用较多的一种[6]。GY-30照度传感器具有如下优势：

（1）将BF1750FVI芯片和部分外围电路集成到一块小电路板上，可通过I2C串行时钟总线、I2C串行数据总线与Arduino连接；

（2）Arduino IDE中自带的Wire库封装了对I2C的相关操作方法，可以很方便地与GY-30通信；

（3）光谱特性曲线与人眼视觉灵敏度曲线较为接近，可见光测量范围大。

1.4 无线传输模块

系统选用嵌入式WiFi模块进行数据传输[7-9]。它是基于ESP8266-12F WiFi模组扩展而来的NodeMCU模块，含有USB串口，可以与计算机直接相连；在单独使用时可作为开发板，具有GPIO、I2C以及ADC等多种功能；可编写硬件代码，使用Arduino IDE即可将程序烧录进去，方便对WiFi模块进行透传设置。

1.5 软件开发环境

本系统采用的Arduino IDE是一款专业的开发软件[10]，可以在三大主流操作系统Windows、Mac OS X和Linux上运行。Arduino语言由C语言与C++语言混编而成，对具有C语言基础的开发者来说，使用很方便。

Arduino程序由两部分构成：一部分是void setup（）函数，主要用于初始化变量、设置管脚模式等，该函数内的代码只被执行一次；另一部分是void loop（）函数，主要用于编写主体程序，该函数内的代码会被重复执行，类似于C语言中的loop（）函数。

1.6 数据上传平台

本系统选择贝壳物联网平台上传数据。贝壳物联网平台能同时接入多个设备，并将接收的数据以实时变化的曲线方式展现。此外，它还具有延时小、开发文档详细、协议公开等优势。将数据上传之前，需要对贝壳物联网平台进行配置操作：注册贝壳物联网账号，登录后点击“一键开始”即可自动生成所需设备和接口。由于需要上传温度和照度的数据信息，因此考虑额外添加一个模拟量接口。

2 系统设计方案

本系统设计方案的流程如下：以Arduino UNO开发板为核心，利用DS18B20数字型温度传感器和GY-30数字光照度传感器采集周围环境数据，通过I2C等通信方式将数据发送给Arduino进行片上运算处理，之后Arduino将数据处理结果打包成符合平台通信协议的JSON数据格式，再通过串口传输给嵌入式WiFi模块，由它将温度与照度数据通过TCP协议以WiFi传输形式发送给物联网平台，并实时显示。