基于Arduino的土壤溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、.基于Arduino的土壤溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)-農(nóng)學(xué)論文基于Arduino的土壤溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 李戈琦，張 燕，向倫倫（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?）摘要：基于控制板，設(shè)計(jì)了一套時(shí)效性強(qiáng)、方便易用的土壤溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 控制板為核心，采用高精度傳感器為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并使用瀏覽器或者智能手機(jī)隨時(shí)查看。通過(guò)分析及試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)精確度高、成本低，是一套可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化有極大的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：；溫濕度；遠(yuǎn)程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439114（15）164060-03DOI:10.14088

2、/ki.issn0439-8114.2015.16.059收稿日期：基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（）作者簡(jiǎn)介：李戈琦（），女，山西晉城人，本科生，研究方向?yàn)閭鞲衅鳈z測(cè)技術(shù)，（電子信箱）；通信作者，張 燕（），女，湖北鄂州人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化，（電話）（電子信箱）。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化及現(xiàn)代化已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。尤其近年來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，、等無(wú)線通信的出現(xiàn)，手持互聯(lián)網(wǎng)終端的廉價(jià)化以及多樣化、物聯(lián)網(wǎng)等新概念的提出，都為實(shí)時(shí)狀況監(jiān)測(cè)提供了必要條件，使人們隨時(shí)隨地了解所需信息成為可能。而土壤作為農(nóng)業(yè)的根基，對(duì)作物生長(zhǎng)有著深遠(yuǎn)的影響。了解土壤的各項(xiàng)指標(biāo)

3、，才能把握住農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良好時(shí)機(jī)并做出應(yīng)對(duì)措施。本設(shè)計(jì)利用硬件開(kāi)源平臺(tái)以及諸多程序代碼以及免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)土壤溫濕度監(jiān)控，具有時(shí)效性強(qiáng)、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制板是一個(gè)開(kāi)源硬件項(xiàng)目平臺(tái)，核心設(shè)備是一個(gè)微控制器。該平臺(tái)包括一塊具備簡(jiǎn)單功能的電路板及一套程序開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件。所選擇的 是一塊網(wǎng)絡(luò)版，將微型處理器換成了性能更加優(yōu)異的，并同時(shí)具有路數(shù)字接口（其中路可作為脈沖寬度調(diào)制輸出），個(gè)輸入接口，一個(gè) 晶振，一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)附帶儲(chǔ)存卡插座以及直流電源孔，和一個(gè)重啟按鈕。本設(shè)計(jì)通過(guò)該主控板將傳感器采集的數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)（圖1）。相對(duì)于其他微型控

4、制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是它的易用性，并在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出自己的項(xiàng)目。 溫濕度傳感器溫濕度傳感器屬于數(shù)字傳感器的一種，其功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、價(jià)格低，能同時(shí)測(cè)量溫度與濕度，滿(mǎn)量程校準(zhǔn)，而不需要重新校準(zhǔn)，可以互換使用，快速響應(yīng)時(shí)間，滿(mǎn)足使用要求。傳感器以電阻式濕敏元件和熱敏電阻作為測(cè)溫元件的集成，連接一個(gè)位微處理器。將已調(diào)校正確的數(shù)據(jù)燒錄進(jìn)一次性可編程只讀存儲(chǔ)器，傳感器內(nèi)部檢測(cè)信號(hào)處理過(guò)程中會(huì)直接讀取。該傳感器精度高、工作簡(jiǎn)易快捷，其性能指標(biāo)如表所示。 由于傳感器外形小巧，可輕松封裝進(jìn)金屬保護(hù)殼中，在使用過(guò)程中插入土壤，能提高測(cè)量精度。圖是加裝了銅鍍鋁合金外殼的傳感器，耐腐蝕性大幅

5、提升，除測(cè)量土壤數(shù)據(jù)外，更可以用預(yù)埋或打孔插入等方式測(cè)量混凝土的溫濕度。圖為傳感器。它與控制板都是采用格式通信，一次通訊可以發(fā)送 的數(shù)據(jù)，可將溫度和濕度的具體數(shù)據(jù)拆分為個(gè)部分發(fā)送：整數(shù)部分與小數(shù)部分，每個(gè)部分占用 ，余下 數(shù)據(jù)為校驗(yàn)后的正確數(shù)據(jù)。傳感器為引腳封裝，從左到右分別為電源極、串行數(shù)據(jù)、空腳、地線。當(dāng)控制板發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)之后，傳感器開(kāi)始工作，并從低能耗待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為高能耗工作模式。在控制板的啟動(dòng)信號(hào)發(fā)送完成后，觸發(fā)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將 的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制板?？刂瓢鍥](méi)有發(fā)出程序開(kāi)始信號(hào)時(shí)，傳感器不會(huì)采集土壤數(shù)據(jù)，以低能耗模式待機(jī)。 系統(tǒng)連接將傳感器的與主控板的 電源相連，接上數(shù)字輸入接

6、口，接上，如傳感器與主控板之間距離小于 ，則需要在數(shù)據(jù)跟電源之間并聯(lián)上 k的電阻。將有線寬帶接入主控板的接口，并插上 電源。所有硬件連接完畢后，在下一個(gè)環(huán)節(jié)輸入代碼，整個(gè)系統(tǒng)便可正常運(yùn)行。引腳接線圖如圖所示。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)（ ，）的基本思想來(lái)自于世紀(jì)末，年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的無(wú)線射頻身份識(shí)別（）系統(tǒng)標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)的雛形的出現(xiàn)，將所有物品加裝無(wú)線射頻識(shí)別模塊與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的管理與識(shí)別。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)概念得到進(jìn)一步拓展，即“以未來(lái)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，能自我配置的全球性網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)單位都有惟一的物理特征或編碼，通過(guò)良好的交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與分享”。中國(guó)物聯(lián)

7、網(wǎng)技術(shù)的早期發(fā)展，可以追溯到世紀(jì)末的物聯(lián)網(wǎng)核心傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究。年月，溫家寶的“感知中國(guó)”講話促進(jìn)了我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的深入研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，物聯(lián)網(wǎng)正式列為了我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，使得我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，并涌現(xiàn)出一批以樂(lè)聯(lián)網(wǎng)為首的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。該平臺(tái)的出現(xiàn)，極大地方便了個(gè)人和小型企業(yè)用戶(hù)。圖為系統(tǒng)實(shí)物連接圖，圖為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路原理圖。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇樂(lè)聯(lián)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。它的特點(diǎn)有：簡(jiǎn)單易用，只需稍微設(shè)置網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備便可輕松使用；優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理能力，可以完成海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問(wèn)，并提供數(shù)據(jù)分析；多客戶(hù)端，手機(jī)可以隨時(shí)查看數(shù)據(jù)，時(shí)效性強(qiáng)。在注冊(cè)樂(lè)聯(lián)網(wǎng)賬號(hào)之后，進(jìn)入個(gè)人中心，查看網(wǎng)站分

8、配的惟一接入，此 作為上傳數(shù)據(jù)的用戶(hù)身份標(biāo)識(shí)，具有惟一性。 給寫(xiě)入程序，并讓它按規(guī)律完成使用（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境），它是開(kāi)發(fā)者提供給用戶(hù)的一款免費(fèi)軟件，并使用可理解的語(yǔ)言（跟語(yǔ)言類(lèi)似）來(lái)開(kāi)發(fā)程序。由于的硬件和軟件都是開(kāi)放的資源，這意味著代碼以及程序設(shè)計(jì)可以被任何人使用、加工和發(fā)布。并且中集成了多種多樣的程序代碼。調(diào)用預(yù)置的物聯(lián)網(wǎng)通訊庫(kù)，與服務(wù)器進(jìn)行單向通信。代碼如下所示： 系統(tǒng)性能分析本系統(tǒng)特點(diǎn)在于信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控、多客戶(hù)端監(jiān)控，時(shí)效性高。實(shí)測(cè)證明，該系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度為± ，濕度測(cè)量精度為±，數(shù)據(jù)更新頻率 /次。溫濕度傳感器作為新一代的傳感器，智能化程度高，內(nèi)置了校驗(yàn)數(shù)據(jù)使采集的

9、數(shù)據(jù)更為精確，并且在沒(méi)有收到主控板指令的時(shí)候?yàn)榇龣C(jī)狀態(tài)，能耗更低。 小結(jié)傳統(tǒng)的土壤溫濕度檢測(cè)方法有直接測(cè)定法（人工取土進(jìn)行試驗(yàn)研究）、間接測(cè)定法（測(cè)定土壤中與濕度有關(guān)的物理參數(shù)、田間定位法和遙感法。這些方法測(cè)定過(guò)程復(fù)雜、無(wú)法連續(xù)檢測(cè)、周期長(zhǎng)、效率低、人為誤差較大，而且管理方式落后，與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機(jī)械化理念相悖，并且要安排專(zhuān)人值守，人力資源過(guò)度浪費(fèi)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤溫濕度采集工作頻繁，該系統(tǒng)不但可節(jié)省大量人力物力，更可實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)在精度與誤差控制上，與傳統(tǒng)方法相比有突出的優(yōu)點(diǎn)，并且采集速度更快。由于使用了模塊化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)成本低廉，易于安裝與維護(hù)，適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣。參考文獻(xiàn)： 秦 華，孫曉松基于的環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)線互聯(lián)科技，（）： 蔡睿妍.的原理及應(yīng)用電子設(shè)計(jì)工程，（