作者：张译王霄 胡娟 杨靖 龙道银
贵州大学电气工程学院贵州工程有限公司工程有限公司
摘要: 为了控制花园植物的生长环境，保证植物的正常生长，基于现实背景设计了一种Arduino微型花园控制系统。在此选用Arduino Nano传感器技术作为核心控制器，WiFi技术，物联网平台，LabVIEW实现对花园环境的实时监测和及时控制，具有检测环境温度、环境湿度、土壤湿度、光照度等功能。串口显示分别实现，LabVIEW与智能云物联网平台分别显示。显示运行结果Arduino为核心设计的系统通过LabVIEW显示调试后，可以保证数据无线传输的实时性，在一定精度内满足远程控制的要求，具有功耗低、成本低、扩展方便等优点，具有非常实用的价值和商业推广价值。 关键词: 微型花园 智能云物联网平台 Arduino控制 LabVIEW显示 系统设计 运行测试 本设计以Arduino Nano以主控板为核心，分模块收集环境信息Lab VIEW制作的上位机完成数据记录分析，调试上传数据的准确性，添加无线网络，借助智能云物联网开放平台上传数据，实现数据的实时显示和远程控制。 1 系统整体框架设计 采用微型花园控制系统设计的整体布局设计Arduino控制核心板PC机上选择以Lab VIEW作为该平台作为上位机，可以设计出更友好、更方便的用户界面，实时显示环境信息。利用流行的无线传输-物联网，在云中存储某些数据和显示。相比之下，发现机智云物联网平台更符合设计要求。现在采用成熟Wi Fi技术与网络连接通信，实现真正意义上的无线远程数据传输功能。总体设计框架如下图所示。
硬件作为控制系统的基础和核心，直接影响系统的稳定性、准确性、快速性和能耗，在一定程度上决定了智能系统的上限。微型花园控制系统的硬件主要包括Arduino Nano控制板、Usart GPU、传感器、Lab VIEW等。其中，DHT.11.土壤湿度传感器和光照度传感器由传感器组成，用于检测花园环境的温湿度、光照度和土壤干湿度。 2 系统硬件设计 2.1 主控制芯片 本设计采用Arduino Nano。Nano是一款基于Arduino UNO相对而言，改进的开发板，Nano体积小，价格便宜，降低了相应的开发成本。Nano下位机程序作为智能系统的底层控制芯片，可以通过Arduino IDE烧录完成。Nano不同场景可以通过表1两种不同的方式供电，使应用场景更加多样化和灵活。 2.2 温湿度检测模块 温湿度传感器的设计DHT.11.它是一种数字温湿度传感器，它包含一种传感器，用于验证数字信号输出温湿度复合物。一个传感器NTC这些校准系数可以通过测温元件和电阻感湿元件来调用。单线串行接口可以使系统集成快速、简单、高度集成。体积小，功耗小，信号传输高达20 m，非常适合硬件开发。它采用专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，能够保障产品极高的长期稳定性。DHT.管脚说明如表2所示。 图2为DHT.传感器通过单总线传输数据，一次传输40个工作原理 bit，按数据格式顺序为8 bit湿度数据，8 bit湿度小数据，8 bit整个温度数据，8 bit温度小数数据，最后8位为校验位，验证传送的数据是否正确。 2.3 土壤湿度传感器 土壤湿度传感器采用四线制，包括电源正极、电源负极、TTL其中，电位器可以调节光照度阈值，数字信号输出和模拟信号输出。土壤湿度传感器接线如图3所示。 2.4 光照传感器
硬件作为控制系统的基础和核心，直接影响系统的稳定性、准确性、快速性和能耗，在一定程度上决定了智能系统的上限。微型花园控制系统的硬件主要包括Arduino Nano控制板、Usart GPU、传感器、Lab VIEW等。其中，DHT.11.土壤湿度传感器和光照度传感器由传感器组成，用于检测花园环境的温湿度、光照度和土壤干湿度。 2 系统硬件设计 2.1 主控制芯片 本设计采用Arduino Nano。Nano是一款基于Arduino UNO相对而言，改进的开发板，Nano体积小，价格便宜，降低了相应的开发成本。Nano下位机程序作为智能系统的底层控制芯片，可以通过Arduino IDE烧录完成。Nano不同场景可以通过表1两种不同的方式供电，使应用场景更加多样化和灵活。 2.2 温湿度检测模块 温湿度传感器的设计DHT.11.它是一种数字温湿度传感器，它包含一种传感器，用于验证数字信号输出温湿度复合物。一个传感器NTC这些校准系数可以通过测温元件和电阻感湿元件来调用。单线串行接口可以使系统集成快速、简单、高度集成。体积小，功耗小，信号传输高达20 m，非常适合硬件开发。它采用专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，能够保障产品极高的长期稳定性。DHT.管脚说明如表2所示。 图2为DHT.传感器通过单总线传输数据，一次传输40个工作原理 bit，按数据格式顺序为8 bit湿度数据，8 bit湿度小数据，8 bit整个温度数据，8 bit温度小数数据，最后8位为校验位，验证传送的数据是否正确。 2.3 土壤湿度传感器 土壤湿度传感器采用四线制，包括电源正极、电源负极、TTL其中，电位器可以调节光照度阈值，数字信号输出和模拟信号输出。土壤湿度传感器接线如图3所示。 2.4 光照传感器
图4是光照传感器的原理。光敏传感器采用电源正极、电源负极四线制，TTL在数字信号输出和模拟信号输出中，电位器可以调节光照度阈值。在可见光波长附近，包括红外波长和紫外线波长，利用光敏元件将光信号转换为电信号传感器。因此，光谱范围可以从紫外线区延伸到红外区，具有灵敏度高、体积小、价格低、性能稳定等优点。在实际电路中，只需要AO接收模拟信号MCU的I/O口、外部电源供电，GND与MCU共地即可。 图2 DHT.11工作原理 图3 土壤湿度传感器的原理 图4 关注度传感器的原理 2.5 串口液晶显示模块 Usart GPU显示屏。需要显示的信息主要是环境温湿度和土壤湿度，选择Usart GPU由于后面显示环境的实时信息，Wi Fi占用了模块Nano的RX、TX通道，所以采用软串口连接。显示屏主要有前景元素和背景元素。由于该显示器主控芯片
STM32具有处理和存储数据的能力，可以提前烧录程序作为背景元素，然后将需要实时显示的信息设置为前景元素。实际显示只需要MCU的TX连接显示屏RX，同样的外部电源和MCU共地即可。 2.6 EPS8266 WiFi模组 Nano通过硬串口和Wi Fi模组连接，Arduino管脚D6、D7用于配置Wi Fi程序下载完成模块工作模式后，需要调整模块Air Link Mode实现远程数据监控。将收集到的数据传输到Wi Fi模组，再由Wi Fi模块将数据传输到云端。EPS8266Wi Fi模组原理。 图5 Usart GPU显示屏 图6EPS8266 WiFi模组原理 3 系统上位机设计 3.1 上位机Lab VIEW的设计 上位机利用Lab VIEW该软件实现了植物生长环境的显示和分析。将Lab VIEW与Arduino串口连接，根据数据包头、实际数据和数据验证格式，采用工业协议Modbus以问答为标准的主从模式自行设定协议。在实践中，采用无差异传输数据的设置格式Lab VIEW作为机通过串口发送校验帧x AA、0x BB，然后连接特征码上传不同的环境变量，发送0x AA、0x BB、0x11上传温度信息，发送0x AA、0x BB、0x10上传湿度信息，发送0x AA、0x BB、0x20上传光照度信息。 设计Lab VIEW上位机需要5个函数，第一个是VISA主要配置串口COM配置口、波特率、奇偶校准位和停止位。第2个是VISA写入函数，通过串口将特征码等指令发送给下位机执行相应程序。第3个是VISA串口字节数，读取串口中的所有字节。第4个VISA读取函数，显示即将读取的字节。第5个VISA关闭通道不会一直占用串口资源。Lab VIEW前后面板如图所示。 3.2 上机物联网平台的设计 智能控制系统物联网平台构建智能控制系统，实时上传数据，实现远程观察和控制。在众多物联网平台中，机智云物联网平台更好。机智云为有AIoT升级需求的用户提供云管端边一体化解决方案，帮助传统产业高效、快速、低成本实现从生产线到产品再到服务的全面升级，深入整合物联网共同技术和产业，有效产生新产品、新形式、新模式，推动产业结构转型升级，全面提高生产效率，形成新的经济增长点。业务涵盖交通物流、新能源、工业互联网、医疗保健、消费电子等行业。 3.2.1机智云物联网平台 智能云是一种相对完整的平台设计，可以为设计需求提供完整的设计解决方案，为客户的运营管理和数据分析提供良好的服务和技术支持，实现产品终端的智能化。与其他开发平台相比，智能云物联网平台不需要知道下机上传的数据协议。该平台将提供相应的硬件平台代码，底层协议不需要太多理解。智能云数值信息界面如下图所示。 智能云数值信息界面 传感器收集的环境数据传输给Arduino,Arduino串口与EPS8266Wi Fi模块连接，利用无线传感器网络将数据上传到智能云云，实现数据存储，便于分析，如图所示。最后，在终端显示数据以实现远程观察和远程控制。 智云传感器上传数据信息 最后，考虑到数据的实时性，防止丢装丢失，使用智能云物联网平台开发远程观察和远程控制的终端显示数据 在软件设计中，从简单的程序到集成后的复杂程序，从单个传感器采集数据功能到每个传感器采集的数据的实时处理，不断改进程序框架，达到理想状态。在程序中运行void setup()函数中的初始化程序void loop主要功能在函数中不断循环完成。