基于Wi-Fi的智慧农业监控系统的设计与实现

罗长英,林仰洪,廖明华

(广东交通职业技术学院，广东 广州 510650)

随着信息技术与农业生产的结合越来越紧密，智慧农业在实现农业生产信息化、智能化、自动化等方面发挥着关键作用[1]。将物联网技术应用到农业监控系统中是目前的发展趋势，智慧农业监控系统将采集到的植物生长环境中的农业信息数据进行传输、加工和利用，可以为作物生长中的各个阶段提供精准的管理和预测、预警等方面的信息支持，解决了传统农业系统传输距离近和高能耗的问题[2]。基于Wi-Fi的智慧农业监控系统根据物联网技术架构进行研发，选用ESP32作为控制系统的核心，通过对影响农作物生长的空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度等环境参数进行实时采集，并将采集到的数据通过Wi-Fi实时上传到云平台，用户可通过手机APP及PC端软件实时监测分析作物生长的环境数据，及时下发控制命令，达到改善农作物生长环境，实现智能化农业生产的目的。

基于Wi-Fi的智慧农业监控系统利用物联网技术进行研发，系统主要包括ESP32主控模块、传感器感知模块、OLED显示模块、命令执行模块、应用软件模块等，系统总体架构如图1所示。MCU选用ESP32作为控制系统的核心，电源供电采用12 V直流电源，电源模块实现输出3.3 V和5 V，给MCU和模块供电。

图1 智慧农业监控系统总体架构

本系统开启后，根据预设的Wi-Fi账号和密码，接入本地的无线Wi-Fi网络，网络连接成功后开始正常工作。传感器感知模块实时采集农作物生长环境中的温度、湿度、光照强度、土壤湿度等农业信息数据，并进行A/D转换输出成数字信号。ESP32主控模块不断读取传感器感知模块输出的数字信号，经过解析后显示在OLED显示屏上；
并通过无线Wi-Fi网络上传至OneNET云平台。应用软件模块手机端和PC端可实时获取OneNET云平台上的数据实时监测与预警，随时可查看相关数据，进行智能化数据分析处理，从而下发开灯或浇水等控制命令至命令执行模块执行，从而达到远程监控、改善农作物生长环境的目的。

2.1 ESP32主控模块

由于ESP32具有性能稳定、高度集成、超低功耗等特点，能出色地完成数据的分析处理，ESP32系列包括芯片ESP32-D0WDQ6(和ESP32-D0WD)、ESP32-D2WD、ESP32-S0WD和封装系统(SiP)ESP32-PICO-D4。其核心是双核或单核Tensilica Xtensa LX6微处理器，时钟速率高达240 MHz。故本智慧农业监控系统选用ESP32作为主控芯片。同时ESP32通过SPI/SDIO或I2C/UART接口提供Wi-Fi功能，可以实现通过Wi-Fi上传农业信息数据至云平台，因此ESP32在本系统中也充当通信芯片的功能。

在本设计中，ESP32处理器从27管脚采集DHT11传感器的温湿度数据，把数据实时显示到SDA接13管脚，SCL接14管脚的显示屏上，再将数据通过连接在2管脚的Wi-Fi模块上传到One NET云平台。

2.2 DHT11温湿度传感器

传感器作为一种传输技术，利用有效数据进行转变并利用技术等一系列复杂的处理过程来满足客户的要求，有助于自动化应用的程序[4]。本监控系统中的传感器主要采用DHT11数字温湿度传感器、土壤湿度传感器、光敏传感器。

DHT11数字温湿度传感器应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有性能可靠、长期稳定的特点。此外，该传感器体积小、功耗极低，且信号传输距离远，适用于较为苛刻的环境。土壤湿度传感器接在传感器接口2,ADC 使用内部11DB衰减器，将量程增至0～3.3V,使用12 bit精度，即最大值为 2^12-1=4095。然后根据实际测试数据将检测到的数值0～4095分成三段，分别代表土壤干燥、中等、湿润。

土壤湿度传感器主要用来检测泥土的湿度，可应用于自动灌溉，当土壤干枯时，可给农作物浇水。土壤湿度传感器的功能参数如表 1所示。

表1 土壤湿度传感器功能参数

由表可知土壤湿度传感器的输出信号在0～3.3 V之间，当输出电压越接近0 V时土壤越干燥，越接近3.3 V时土壤越潮湿。

2.3 光敏传感器

光敏传感器实际上是一个可以检测光照强度的传感器，可以应用于日常生活中植物光照强度、室内光线检测，以及某些场合的亮度检测。传感器的原理就是将外界模拟变化的信号转变成数字信号(电压值)让单片机识别出来，处理方式就是常用的 ADC(模拟数字转换)。

光敏传感器采用ADC将外界光照强度变化的模拟信号转变成数字信号的电压值变化，与土壤湿度传感器类似，输出的模拟信号范围为0～3.3 V，接近0 V时光线最强，接近3.3 V时光线最弱。

2.4 OLED显示模块

OLED显示屏功耗小、成本低且反应快，具有较高的分辨率。通过设备之间通信的双线协议I2C接口,OLED显示模块与ESP32主控模块连接并通信[3]，用户可以通过OLED显示屏获取当前农作物生长环境的温度、土壤湿度等数据。

2.5 命令执行模块

命令执行模块主要包括了舵机、灯泡和直流微型水泵，用以执行通风、光照、灌溉等命令从而实现对农作物生长环境的有效改善。当农作物的生长环境中气温较高时，控制舵机开窗进行通风；
当白天光照强度较低时，控制开灯以增加光照强度；
而当土壤较为干枯时，控制水泵进行浇水。

3.1 ESP32平台

本系统的程序采用MicroPython编写，程序流程如图2所示。系统接通电源后开始初始化，ESP32根据预设的账号和密码连接到Wi-Fi网络，若15秒内连接不成功，则OLED屏上显示“Wi-Fi Connected Timeout!”并停止运行程序。若Wi-Fi连接成功，则ESP32接收并解析各个传感器所采集到的数据，并通过Wi-Fi网络将数据发送至OneNET云平台，同时在OLED显示屏上显示。手机APP和PC端上位机又与云平台实现互通，从而获取相关数据，达到可视化监测和下发控制命令的目的。

图2 系统总体流程图

3.2 手机端APP

智慧农业监控系统手机端APP采用Android Studio进行开发设计。用户注册、登录后方可使用本系统，可实现实时监控、下发命令等功能。手机APP通过OneNET云平台获取温湿度、光照强度等数据，用户可通过手机APP查看监控系统实时获取到的数据并进行判断，手动下发命令，控制水泵、舵机或者灯泡工作，实施灌溉、通风、光照等操作。

3.3 PC端上位机

PC端上位机采用C#语言设计，通过连接OneNET云平台获取农业信息数据，将数据加以处理并通过文本和波形图的形式展示。用户可根据实际情况手动下发控制开灯、开窗通风、浇水等命令；
也可采用自动模式，提前设定预警值，当达到预警值时系统自动下发命令，可减少人力投入，更加精准地改善农作物的生长环境。用户的账号信息、采集的环境数据可保存在本地的SQL Server数据库中，通过后台可查看历史数据。

软硬件调试完成后，传感器终端在Wi-Fi网络下将采集到的数据上传至OneNET云平台，通过浏览器登录云平台系统，进行配置部署，配置流程图如图 3所示。

用户可以根据系统设计的对农作物生长环境参数采集的要求，设置对应的数据流，本设备设置的数据流面板如图4所示。配置完成后，传感器所采集的数据经过Wi-Fi网络的传输可以在云平台上面进行展示。此外，用户也可通过手机端APP或PC端上位机实时查看监控系统的数据，并根据数据做出相应的策略和措施,下发相应的控制命令，以保证农作物具有良好的生长环境。PC端上位机主界面如图5所示。

图3 云平台配置流程图

图4 数据流面板

图5 PC端上位机主界面

随着“云平台”和“大数据”逐步融入传统农业，中国农业也开始走向智慧化[5]。基于Wi-Fi的智慧农业监控系统依靠现代化的信息技术，利用物联网技术实现实时监控与远程控制，包括实现实时监控农作物生长环境中的农业信息数据，对数据加以分析并做出决策，从而实现控制下发命令进行灌溉、通风、光照等操作,具有智能化、自动化的特点。本系统使得农业生产更加高效，可降低生产成本，节约人力资源，具有一定的实用价值。

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