基于Arduino技术的温室环境监测系统的设计基于Arduino技术的温室环境监测系统的设计
史丽娟
(常州信息职业技术学院 电子工程学院，江苏 常州 213164)
0 引言
随着社会消费水平和生活质量的提高，人们对绿色植物和花卉的需求越来越大。目前花卉温室大棚较多采用人工方式进行环境感知。传统的人工方式进行数据采集方式，不便于通过智能化方式进行数据保存、处理和分析，难以对温室环境做到实时调节。
物联网时代的到来为这样的问题带来了良好的解决方案。本文在现有的物联网技术应用的研究成果之上，并针对传统无线传感节点的成本高、可扩展性差等不足，利用新兴技术Arduino的优势设计一款温室环境监测系统。系统通过温湿度传感器、光敏传感器、土壤湿度传感器对环境参数进行采集，利用LabVIEW软件进行上位机监控系统开发，同时可通过发送命令实现浇水及开窗透气等功能。智能花卉养殖相对于传统花卉养殖最大的意义是能够实现智能化农业生产管理达到节约人力和高效生产的目的，通过各种传感器和计算机达到对花卉生理参数的实时监测，进行信息化的管理。该系统具有开发周期短、成本低、易于长期监测等优点。
1 温室监测系统方案的设计
1.1 系统方案设计
系统利用PC作为上位机，实现软件程序的运行以及串口数据的读取。采用LabVIEW软件开发系统，完成对花卉养殖环境的参数进行显示、分析、存储和管理。下位机采用Arduino UNO R3，由输入模块、输出模块、主控模块和电源模块4个部分组成。利用传感器对花卉环境参数进行监测，Arduino将传感器参数传给上位机并利用LabVIEW对相关数据进行转换得到系统需要的数据。将数据传给Arduino，对输出模块进行控制。系统结构如图1所示。72
传感器Arduino
LabVIEWPC
软件
输出模块
图1 系统方案设计图
1.2 系统功能
根据温室花卉种植管理的特点，在构建温室监测系统时，从用户体验的角度和种植角度两个维度进行考虑，系统需要具有以下功能。
1)实现大棚内环境(包括光照强度、温度、湿度、CO2浓度和土壤湿度)的数据实时采集、传输和反馈等；
2)监控软件主要考虑两个方面：一是信号的采集、监控，二是信息的管理、综合分析；
3)自动报警和调节功能：当某一参数值超出给定的阈值时，能够通过调节机制使输出设备做出相应的动作，保证花卉保持在最适宜的环境当中，如自动浇花功能；
4)能对环境采集数据进行查看，同时能对历史数据进行查看和管理。
2 温室环境监测系统的硬件设计
基于Arduino的温室环境监测系统主要实现对
温室花卉环境中的空气温湿度、光照强度以及土壤湿度参数进行采集、传输和智能控制。下位机硬件原理如图2所示。
温湿度传感器指示灯土壤湿度传感器UNO RArduino3LCD光敏传感器继电器电源模块图2 下位机硬件原理框图
系统选用近年来快速发展的Arduino开源硬
基于Arduino技术的温室环境监测系统的设计件作为控制模块。Arduino是对单片机的二次开发，淡化了单片机底层硬件的知识，并通过简单易用的Arduino IDE集成开发环境和简洁明了的C语言进行项目设计。本文选用目前最新版本Arduino UNO R3开发版作为温室监测系统核心控制模块。Arduino UNO R3电路板的控制芯片型号为ATmega328P-PU，它是一款基于AVR增强型 RISC体系结构的高性能低功耗的8-bit CMOS微控制器。传统的51系列单片机需要使用A/D转换实现数字量至模拟量的切换较为繁琐，Arduino的模拟口可以直接进行传感器数据的读取。在编程方面，Arduino使用应用层Java语言编写较于传统的51单片机更加的简单。另外Arduino能够被各种软件进行操作，互动性高。
3 温室监测系统的软件设计
3.1 数据采集的实现
系统主要利用Arduino IDE进行下位机程序开发，Arduino IDE提供了大量开源的通用库接口，简化单片机底层设计。
系统借助Arduino平台官方提供的传感器驱动文件，将多种头文件打包放在一个头文件 本系统选用美国国家仪器公司研制开发的图形化编程语言LabVIEW进行上位机系统监控界面开发。通过图形化编程简化了上位软件开发的难度，同时能缩短程序开发时间，并能快速优化人机交互界面。本系统上位机软件主要通过串口和下位机进行数据传输。上位机实现的功能： (1)登录界面设计；(2)配置VISA参数； (3)通过自定义的通信协议，向下位机发送采集指令，对温室花卉的温度、湿度、土壤湿度、光照强度数据进行采集； (4)利用ACCESS保存所采集的数据，提取不同类型的数据，并显示在面板上； (5)数据分析，根据不同数据结果，发送指令，实现环境监测； (6)历史数据查询管理和帮助。 电工电气 (209 No.9) 4 温室环境监测系统调试 本系统主要在实训室完成温室花卉环境监测功能测试。系统上电后，通过上位机发送采集指令，下位机采集好数据后进行上传至上位机监控系统。经过系统调试，上位机监测结果如图3所示。 基于Arduino的温室监测系统 日期 状态工作 温度湿度光照土壤水分显示指示灯上限报警 2019/2/18 10:05 OK 下限报警 监测数据历史数据帮助 温度/℃湿度/%光照/lx土壤湿度/%2030404060200300406010208010040020800605001000500010011 83 32 55 温度光照 湿度 土壤湿度 ℃40lx100//度20 照50温光%900900/%度壤/70湿土度5050湿30393 397 393 时间/ms 时间/ms 397 图3 温室环境监测系统界面 经测试，监测系统所探测的温度、湿度、土壤湿度等传感数据能够顺利上传至上位机监控软件，系统运行正常，能根据实际数据进行报警提示。为了验证系统工作的稳定性，给下位机长时间供电并采集数据，下位机能工作正常，各传感器采集的数据曲线变化平稳。考虑到短时间内数据变化不大，系统可以设定定时数据采集与分析。 5 结语 本文以Arduino作为开发平台，利用传感器以及LabVIEW搭建了一个能够探测温室环境参数的监测系统。系统实现了多种环境参数的采集及实时上传，并且具有报警功能，通过该系统实现了对温室的长期监测。本文主要是通过模拟仿真进行温室环境监控，考虑到系统实用性，本系统还需对数据采集结果进行分析实现自动控制，这是今后研究的主要内容。 修稿日期：2019-06-11 73 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容