基于樹莓派與ESP8266的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要: 針對(duì)我國(guó)溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要以對(duì)環(huán)境的監(jiān)控為主，具有數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)困難、數(shù)據(jù)難以保存、系統(tǒng)平臺(tái)要求較高、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。為此本設(shè)計(jì)提出了一種基于ESP8266與樹莓派的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ESP8266主控芯片對(duì)DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)傳給OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi發(fā)送到用樹莓派搭建的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。并設(shè)計(jì)了基于B/S架構(gòu)的溫室環(huán)境Web管理信息子系統(tǒng)，用戶通過手機(jī)客戶端及網(wǎng)頁(yè)可遠(yuǎn)程查看環(huán)境內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)變化情況，以及選擇查看每分鐘、每小時(shí)、每天的歷史數(shù)據(jù)，以便總結(jié)更加適合的溫濕度范圍。本設(shè)計(jì)提出的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、數(shù)據(jù)采集速度快、界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制，具有較好的使用價(jià)值和意義。

0   引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)溫室種植中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。秦琳琳等人基于CAN 總線的現(xiàn)代溫室測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)可以有效監(jiān)測(cè)環(huán)境，但系統(tǒng)硬件成本高、設(shè)備體積大^[1]。田壯壯等人設(shè)計(jì)的基于PHP&MySQL 的教室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測(cè)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)沒有得到有效保存^[2]。國(guó)內(nèi)外溫室多數(shù)為中、小規(guī)模，為適應(yīng)實(shí)際情況，引入中、小型種植戶的資金，智能化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮成本問題^[3]。因此開發(fā)出成本低、性能好、具有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存的溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

通過對(duì)溫室環(huán)境中溫度與濕度的信息進(jìn)行深入了解后，做了系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、以及測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，并植入用樹莓派搭建的服務(wù)器內(nèi)。本系統(tǒng)基于B/S 框架，硬件通過ESP8266 對(duì)DHT11 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)傳給OLED 顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，并能將數(shù)據(jù)通過TCP/IP 協(xié)議傳給數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件部分前端界面采用JS與CSS 技術(shù)，后臺(tái)采用PHP 編程語言，并結(jié)合MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，在設(shè)計(jì)上做到了可擴(kuò)張可維護(hù)，服務(wù)器采用樹莓派自行搭建。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的收集與保存及檢測(cè)環(huán)境溫濕度是否超出上下限等功能，使用戶方便快捷地了解溫室環(huán)境內(nèi)溫濕度變化情況，對(duì)溫濕度進(jìn)行有效管理，為當(dāng)前溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理提供了幫助。

1   研究的主要內(nèi)容

系統(tǒng)主要分軟件和硬件兩部分來研究，以軟硬件結(jié)合的方式收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察。

1.1 硬件部分

1）首先通過ESP8266 對(duì)DHT11 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2）ESP8266 接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，同時(shí)傳給OLED顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，并能將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 發(fā)送到MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）將本系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)植入用樹莓派搭建服務(wù)器中。

1.2 軟件部分

1）MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存。

2）用戶登錄系統(tǒng)查看溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可選擇性查看每天、每小時(shí)、每分鐘數(shù)據(jù)變化。同時(shí)可增刪改查溫濕度的上下限，當(dāng)溫濕度超出所設(shè)定的上下限時(shí)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示信息。管理員還可修改工作人員的訪問權(quán)限，工作人員可修改自己的個(gè)人信息。

2   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成。硬件包括ESP8266 控制模塊、DHT11 溫濕度傳感器和OLED 顯示屏，軟件角色分為管理員和工作人員，另有溫濕度管理與員工管理等相關(guān)功能。如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳遞方式

ESP8266 模塊調(diào)用庫(kù)函數(shù)readTemperature() 和readHumidity() 分別獲取DHT11 收集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)傳給OLED 顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，通過調(diào)用ESP8266Wi-Fi 中的庫(kù)函數(shù)，定時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派搭建的服務(wù)器中。主控芯片用帶有服務(wù)器IP 地址及端口號(hào)的命令client.print(String("GET ") +url + " HTTP/1.1rn" +"Host:" + host +"rn" +"Connection: closernrn") 發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)進(jìn)行廣播查找與服務(wù)器連接。在樹莓派中創(chuàng)建PHP 文件分別利用$_GET(temp) 和$_GET(hum) 獲取ESP8266 發(fā)送的溫度和濕度數(shù)據(jù)，通過INSERT INTO 語句將數(shù)據(jù)插入MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行處理和保存，用PHP 編寫可視化網(wǎng)頁(yè)圖形顯示數(shù)據(jù)庫(kù)中的溫濕度數(shù)據(jù)^[1]。如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

用戶進(jìn)入系統(tǒng)需輸入用戶名和密碼判斷用戶是否已注冊(cè)，如果已注冊(cè)則判斷是否可以登錄成功，若登錄失敗將重新輸入，若登入成功將進(jìn)入系統(tǒng)。若沒有注冊(cè)則輸入個(gè)人信息進(jìn)行用戶注冊(cè)，輸入有誤將返回重新輸，輸入正確將注冊(cè)成功進(jìn)入系統(tǒng)。用戶進(jìn)入系統(tǒng)后可觀察溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)，并可增刪改查溫濕度上下限。若以管理員的身份進(jìn)入系統(tǒng)還可查看、修改和刪除員工個(gè)人信息。如圖3 所示。

3   系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)中登錄和注冊(cè)功能界面的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)包含了系統(tǒng)的注冊(cè)界面、登錄界面、溫濕度顯示界面、員工信息界面以等他各功能界面，溫濕度顯示界面分別由每天、每小時(shí)、每分鐘3 個(gè)溫濕度顯示界面組成。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)注冊(cè)頁(yè)面圖

3.2 系統(tǒng)主界面的實(shí)現(xiàn)

成功登入本系統(tǒng)將進(jìn)入本系統(tǒng)的主界面溫濕度顯示界面。該界面主要分為3 部分，上半部分是溫度和濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 這部分每1 min更新1 次，便于員工觀察溫室中溫濕度的變化情況。下半部分是溫度和濕度的歷史數(shù)據(jù)，便于員工總結(jié)最適合溫濕度，中下部有增刪改查溫濕度上下限按鈕，當(dāng)溫濕度超出所設(shè)定范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示，用戶可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并做出有效的措施。如圖5 所示?？筛鶕?jù)需求通過界面的切換觀察每分鐘、每小時(shí)、每天的數(shù)據(jù)變化，本功能通過對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行ORDER BY time DESC 按照時(shí)間升序的方式進(jìn)行排序，通過time（time）與date（time）函數(shù)分離時(shí)分秒與年月日，并用DATEDIFF（）與BETWEEN（）分別獲取前10 d 內(nèi)和前10 h 的所有溫濕度數(shù)據(jù)，計(jì)算出每天、每小時(shí)的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖5 系統(tǒng)溫濕度頁(yè)面圖

在下部分表中同一時(shí)間段有3 條實(shí)線數(shù)據(jù)從上至下依次為上限、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和下限，1 條虛線為平均數(shù)值。在每個(gè)表的左上角都設(shè)有5 個(gè)按鈕（如圖6 所示）從左到右依次為表單、折線圖、柱狀圖、更新和下載數(shù)據(jù)圖功能符號(hào)。點(diǎn)擊相應(yīng)符號(hào)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)界面如表單（以溫度表為例如圖7）和柱狀圖（以溫度表為例如圖8）多樣化顯示可使用戶簡(jiǎn)潔快速查看數(shù)據(jù)。

圖6 溫濕度按鈕界面

圖7 溫度表單界面

圖8 溫度柱狀圖界面

3.3 員工管理界面的實(shí)現(xiàn)

管理員有權(quán)限進(jìn)入員工管理界面，該界面中可清晰觀察員工信息，為方便查看更多信息在表下方創(chuàng)建了滑動(dòng)條。在表中留有“刪除”和“修改”按鈕列，當(dāng)員工個(gè)人信息發(fā)生變化時(shí)可以及時(shí)對(duì)該員工個(gè)人信息進(jìn)行刪除或修改。為解決快速查找某個(gè)人的個(gè)人信息問題，本系統(tǒng)利用員工ID 唯一性創(chuàng)建“ID 搜索”窗口，方便精準(zhǔn)快速查找員工。如圖9 所示。

圖9 員工管理界面圖

4   系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中僅有少量的數(shù)據(jù)需要處理為降低成本主控芯片采用ESP8266 D1 Mini 開發(fā)板足以驅(qū)動(dòng)傳感器及顯示器，并可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。溫濕度傳感器選用DHT11 具有體積小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于不同環(huán)境下監(jiān)測(cè)。顯示器選用輕薄短小、省電的OLED 屏幕。硬件設(shè)備整體小巧精致，方便放置于各種環(huán)境中。如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)電路圖

5   數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

根據(jù)需要本系統(tǒng)選用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)都是該系統(tǒng)的重要組成部分，因此在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)高度注重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的隔離性、一致性、持久性和原子性。本系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)庫(kù)表為保存溫濕度以及存儲(chǔ)時(shí)間表，時(shí)間字段為time 類型定義為datetime型，并添加自動(dòng)獲取索引，考慮到溫濕度的精度及觀察方便溫濕度類型定義為fl oat 型小數(shù)點(diǎn)后兩位。如表1 所示。

表1 溫濕度儲(chǔ)存表

6   結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用軟件網(wǎng)頁(yè)和數(shù)據(jù)庫(kù)與硬件ESP8266 開發(fā)板、OLED 顯示屏和DHT11 溫濕度傳感器在樹莓派做服務(wù)器的情況下相互結(jié)合，使兩大學(xué)科相互交叉，打破了傳統(tǒng)純硬件設(shè)計(jì)及純軟件開發(fā)的常規(guī)思維方式，設(shè)計(jì)出溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與觀察，而且可將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存與處理，并以可視化的形式展現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上供多人遠(yuǎn)程查看。有利于觀察生產(chǎn)生活及植物生長(zhǎng)發(fā)育所需更適合溫濕度范圍，對(duì)提高生產(chǎn)生活效率及植物生長(zhǎng)發(fā)育速率有很大的幫助，存在一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）