基于ESP32的智慧巢框监测系统设计

基于ESP8266的智慧蜂场巢框设计目录1引言 [12]基于微传感器阵列的蜂巢温度监测与分析系统中，利用微型温湿度传感器构建蜂巢内部传感器阵列，采集多点温湿度数据，并实现采集数据的无线传输2关键技术及应用2.1物联网技术物联网技术（InternetofThings）随着信息技术的不断发展，现在已经成为主流技术。顾名思义，物联网就是指将任意物体通过传感器等设备，将其与网络连接，实现物体与网络之间的数据传递和数据交换，从而实现智能化的监测、追踪、控制等需求。物联网的开发，在任何行业中都普遍存在。可以用于生活中常见的物品中，例如室内温度计、智能体重秤、LED小夜灯等，也可用于国家科学实验室，或者是一些大型的设备中。目前我国的物联网开发平台也有很多，例如ONENET、阿里云等。2.2Arduino编程软件在物联网技术普及的今天，我们通常会使用Arduino编程软件进行所需要的程序指令的编写。Arduino是一种基于简单的软硬件构建而成的开放源码的电子平台。数几十年来，Arduino一直充当着成百上千个低端或者高端项目的心脏和大脑的角色。它是一个由学生群体、工作之余喜爱电子产品的业余爱好者、艺术家、程序员和专业技术人员组成的一个大的群体。也就是所说的创客社区，这群人不断地在这个平台做出大大小小的贡献，开发各种新奇的软件和设备，并且也为平台的不断发展和壮大提供了源源不断的可供所有人参考的知识。它对于刚刚接触Arduino的新人亦或是各类专业学者来说都十分友好。Arduino诞生于IvreaInteractionDesignInstitute，是一种较于简单的编程工具，和单片机的开发有些类似，适合大学生入门和上手操作。而且适合于没有任何编程背景的新手。它是一款及其能够适应各种环境的软件，能够随着不同用户的需求进行产品功能的分类，如从物联网开发到可穿戴设备或者是3D打印设备以及嵌入式环境的产品。3硬件部分介绍3.1ESP32-WROOM开发板在单个ESP32-WROOM模块的基础上搭载了载板，组成一个小型的开发板。ESP32-WROOM模块如图3.3.1所示。在这里选用了基于CP2102芯片的ESP32-WROOM开发板。如图3.1.2所示。此款开发板被大量的运用到物联网开发过程中。且开发板的功能比单个芯片更加丰富。与esp8266相比，esp32平台的性能要好很多，支持WiFi、蓝牙两种模式。它的主芯片是一款32位的双核CPU，最高可以达到240MHz，最大的计算能力是600DMIPS，并且还配备了一颗音频解码芯片，可以支持音乐播放和录制，并且还可以通过手机来进行播放，支持UART/SP/12C/PW/ADC/DA等。图3.1.1ESP32-WROOM模块图3.1.2ESP32WROOM开发板3.2ESP32模块使用3.2.1编程环境与通信对于一块刚拆封的ESP32开发板，激活完成后，首先需要检测其功能是否完好。能否正常的输入和输出程序，执行发出的命令。1.首先在Arduino中添加ESP32开发板管理器，在首页面左上角的文件中选择首选项，在附加开发板管理器网址部分输入相应的网址。2.在左上角的工具栏中选择开发板，点击开发板管理器，在搜索栏输入ESP32进行搜索，搜索结束后直接进行安装，若右上角显示蓝色的INSTALLED,则证明安装完成。3.再次点击工具选择开发板，此刻你会看到开发板管理器下方有了一个ESP32Arduino选择它，并在其之内选择ESP32-WROOM-DAModule。至此ESP32的编程环境已经搭建成功。如图3.2所示。图3.2ESP32编程环境搭建工作原理1、系统架构ESP32模块用的是双核Xtensa®32-bitLX6处理器，最高时钟频率240MHZ；内置Wifi、传统蓝牙、低功耗蓝牙支持；外设包括电容式触摸传感器，霍尔传感器，SD卡接口，以太网，高速SPI，UART，I2S和I2C，ADC，DAC 等；支持睡眠模式，大幅提升续航能力；2、芯片运行模式该模块有多种运行模式，包含STA(Station)模式、AP(AccessPoint)模式和STA+AP模式。在STA模式下，WiFi模块可以连接到本来就已经存在的网络中;在AP模式下，模块相当于一个WiFi热点;在STA+AP模式下，模块不仅能够接入其他任意WiFi网络，而且可以提供WiFi热点。3、数据传输WiFi模块通过TCP/IP协议传输数据。在与外部的连接中，模块能够作为客户端或者是服务端。作为客户端时，模块发送和接受数据需要自主的连接到远程服务器;作为服务端时，模块可以监听指定端口，等待其他设备的连接请求，并进行数据交换。3.3传感器部分3.3.1STH30温湿度传感器下图3.3.1为SHT30模块原理图。图3.3.1SHT30模块原理图模块实物图中，共有四个引脚口，分别为VCC-正极、GND-负极、SDA-数据、SCL-时钟。下表3.3为SHT30精度一览表。表3.3SHT30一览表STH3X系列典型湿度精度%RH典型温度精度℃工作电压V输出量STH30±2（10-90%RH范围）±0.2（0-65℃范围）2.4-5.5D/ASHT30温湿度传感器是一种数字式温湿度传感器，被广泛用于气象观测、室内环境监测、智能家居和工业自动化等领域。以下是SHT30温湿度传感器的主要特点：1、高精度：SHT30测量温度精准，且测量范围宽，测量误差小。2、快速响应：该传感器具有快速的响应时间，可以在很短的时间内提供准确的温湿度读数。3、低功耗：SHT30采用超低功耗设计，使其适用于电池供电的设备和便携式应用。4、数字输出：传感器通过I2C接口进行数字信号输出，可以直接与微控制器或其他数字设备连接。5、高抗干扰性：SHT30采用了先进的信号处理技术和抗干扰设计，能够有效地抵抗外界干扰，提供可靠的测量结果。总之，SHT30温湿度传感器是一款性能优异的数字式温湿度传感器，适用于各种环境监测和控制应用。它的高精度、快速响应和稳定性强使得它成为许多领域中首选的温湿度传感器之一。HX711重力传感器模块此模块采用24位高精度的A/D转换器芯片HX711，适用于高精度的电子秤设计，其具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器。原理图如图3.3.2所示。图3.3.2HX711模块原理图其共有十个引脚，其中六个为模拟输入端，其他四个为正极负极和断电控制和串口输入。其工作电压：2.6-5.5V，工作温度：-20℃-85℃，是一款成本低，集成度高，响应速度快且抗干扰能力较强的芯片。4固件调试在本文中，主要通过物联网技术实现温湿度和巢框重量的监测，将压力模块和温湿度模块采集到的数据通过ESP32模块，发送到物联网平台，此处选用的是阿里云，实现实时监控以及采集数据和样本，达到智能化管理蜂箱的目的。4.1温湿度模块调试本次实验用了一个SHT30温湿度模块，将电源和接地与ESP32相连，为温湿度模块供电。另外的SDA引脚和SCL引脚接在ESP32预设的IIC引脚上，分别为SDA接GPIO21，SCL接GPIO22，即D21和D22引脚。本次实验中使用Arduino作为编程软件，在温湿度模块的调试方面使用的是Arduino编程软件自带的<Wire.h>库函数作为温湿度传感器获取温湿度的主要函数，通过函数库自带的Wire.begin()函数初始化预设IIC引脚口，且由于IIC的特性，每次只能发送一次8位数据，则在编程过程中，需要连续发送两次数据然后停止IIC，等待SHT30器件测量数据，再通过Wire.requestFrom（）函数请求获取6字节数据，然后存入esp32内存里面。然后通过公式计算得到的数据，将其转化为摄氏温度，和相对湿度。此时获得的温湿度数据即是为之后的上传云平台做准备。具体获取温湿度程序实现流程图如下图4.1.1所示。图4.1.1获取温湿度程序思路流程图在本次实验中，一共采集了连续三天的温湿度数据与实际温湿度相对比，三天的数据均是在室内获得，并且室内空调温度为25度，第一天和第三天是在门窗封闭的情况下测出，第二天的数据是在门打开的的情况下测得。数据对比如下表4.1.2和表4.1.3所示。表4.1.2连续三天温度变化对比摄氏度温度/℃第一天第二天第三天室内空调温度25℃25℃25℃实际测得温度24.95℃27.79℃23.89℃表4.1.2连续三天温度变化对比相对湿度/%RH第一天第二天第三天室内湿度63%RH72%RH66%RH实际湿度63.68%RH72.16%RH65.79%RH由此可见，该SHT30温湿度芯片在环境温湿度监测方面，精度较高，且测量数据稳定，适合用于农业方面的温湿度监测。该温湿度模块体积较小，且价格较为便宜，是较为不错的选择。4.2压力传感器模块测试 本实验使用了两块压力传感器和两块HX711芯片来收集重量数据。其中两块HX711模块的VCC和GND分别接在一起，然后与SHT30模块的VCC和GND相接，统一由ESP32开发板供电。其中两个模块的DT引脚和SCK引脚分别称呼为DT1、SCK1、DT2、SCK2，分别接在12、13、4、5号引脚，分别对应ESP32的GPIO12、GPIO13、GPIO4、GPIO5。使用Arduino软件编写程序对两个模块进行测试。使用Arduino自带的库<HX711.h>作为获取重量的主要函数库。通过int自行定义DT和SCK的引脚号，在函数前面定义两个重力传感器获取数据名称为scale1、scale2，再根据具体需求定义calibrationfactor的大小，在初始化函数中，通过scale1.begin()和scale.2begin()来初始化两个传感器，初始化完成之后，通过scale1.set_scale（calibrationfactor）和scale2.set_scale（calibrationfactor）来校准所获取的重量。通过scale1.tare()和scale2.tare()来进行去皮过程，最后通过scale1.get_units()和scale2.get_units()来获取重量，通过定义weight1=scale1.get_units()和weight2=scale2.get_units()来进行数值的串口传输和串口监视。具体程序思路流程图如下图4.2.1所示。图4.2.1重力获取程序思路流程图本次实验分别选取了三个砝码进行数据测量的比较，下表4.2.2为重力传感器测量重量与实际物体重量对比图表。表4.2.2实际砝码重量与测量所得重量对比图重量/g5g50g500gWeight15g50g500gWeight25g50g500g4.3ESP32开发板连网测试利用Arduino在ESP32开发环境中的的示例程序WiFiClient，可以检测ESP32开发板是否能够连接到WiFi，以及能否实现其功能。需要注意的是ESP32程序烧录过程中当出现“connecting...”时需要长按开发板上的BOOT键，直到显示烧录进度百分比。当程序烧录进度达到百分之一百时时，则能够通过电脑热点连接处查看ESP32是否连接上电脑热点。若连接上，则证明ESP32开发板能够正常连网。在串口调试器里面可以看见“connectingtowodewifi(此处为热点名称)”，等待一会儿后，串口处打印出“WiFiconnected”并在下面显示出IP地址。如下图4.3所示。图4.3ESP32连接WiFi串口显示5整体设计方案和实现 5.1整体实现功能本次实验主要实现的功能是通过设计巢框来实现对蜂箱内部的温湿度监测以及实现不打开蜂箱来判断巢脾的重量是否达到摇蜜的规格以及蜜蜂在蜂箱内部是否分布均匀。通过物联网技术，将蜂箱内部的温度、湿度、巢框左边的重量、巢框右边的重量这四个数据无线传输到云平台，此处使用的是阿里云，数据可实时刷新，24小时监测蜂箱内部情况。经过前面的各个模块的调试，最后选用功能强大的乐鑫公司出品的esp32-WROOM-32芯片作为主控芯片，SHT30温湿度传感器和HX711传感器作为收集环境数据的器件。由于各传感器的工作电压均可为3.3V，则能通过数据线向esp32开发板的3V3引脚口向各个传感器模块供电，再通过开发板的GND引脚接入各传感器实现回路。具体的引脚接法如下图5.1.1所示。系统设计图如下图5.1.2所示。图5.1.1各模块引脚连接图图5.1.2系统整体设计图系统整体原理框图如下图5.1.3所示。各传感器采集环境数据，经过转换电路，将电信号经输入引脚存储至ESP32内，再经由ESP32进行数据的读取和数值转换，再通过连接WiFi，将数据无线传输至电脑端的阿里云平台和手机APP。图5.1.3系统整体原理框图5.2程序编写根据上面的固件调试，可以将调试代码，并加上上传阿里云平台的代码，经过不断地修改调试代码，最终实现功能。再整个代码中，使用了四个头文件，包括<HX711.h>、<Wire.h>、<AliyunIoTSDK.h>、<WiFi.h>,这几个头文件均能够直接在Arduino中直接下载，前两个已经在前文中说明用法，后面的<WiFi.h>用来配置WiFi，以及esp32的WiFi连接，在本次实验中，使用了STA运行模式，可以将ESP32接入已有的WiFi中，此处使用的是电脑自带的热点，通过初始化WiFi函数，实现热点的连接。<AliyunIoTSDK.h>则是用于数据上传至阿里云平台，通过在阿里云平台创建新产品，自定义添加功能，在新设备生成之后，能够生成该设备专属信息，如下图5.2.5所示。这三个数据就能够通过<AliyunIoTSDK.h>里面的“AliyunIoTSDK::begin()”函数，实现数据上传至云平台的初始化工作，再通过“AliyunIoTSDK::loop()”函数实现数据每两秒刷新以及温度，湿度和两个重量，共四个数据的传输。获取温湿度代码如下图5.2.1所示。图5.2.1温湿度获取代码获取两组压力值代码如下图5.2.2所示。图5.2.2获取两组压力数据代码初始化温湿度传感器、WiFi模块、压力传感器、阿里云代码，如下图5.2.3所示。图5.2.3初始化各个模块代码定义引脚及函数库的引用代码，如下图5.2.4所示。图5.2.4引脚定义和库函数引用代码图5.2.5产品设备专属信息总之，先分块写各个模块的数据获取程序，再将分块代码组合在一起，全部经由esp32开发板传送至阿里云物联网平台。全部程序思路如下图5.2.5所示。图5.2.5整体程序思路流程图5.3功能实现首先需要将巢框实物的左右两端分别搭在需要检测到环境两端，确保其不会随意移动，简化版实物如下图5.3.1所示。然后将写完的程序直接烧录到ESP32开发板中，当编译完成开始连接时，长按BOOT键直至程序顺利开始烧录，若不按BOOT键，则程序无法烧录到ESP32开发板中。此外要注意一定要下载所有程序用到的函数库，此外需要修改头文件中的两个数值。当程序完全烧录进开发板之后，能够通过串口调试器看到所需数据，如下图5.3.2所示。图5.3.1巢框模型简化版实物图图5.3.2串口调试器显示图从该图中，我们可以看到“stateisconnected”,说明云平台此时应该成功与ESP32开发板通讯，并且开始数据传输。打开阿里云物联网平台，可以看到设备管理器处显示设备在线（如下图5.3.3所示）则说明此时双方已经成功连接，且能够在云平台上实时监测数据，如下图5.3.4所示。至此已经实现电脑端实时监测蜂箱内部的温湿度以及通过比较巢框两端重量判断蜜蜂在巢框上的分布情况，以及白天蜜蜂出巢之后巢脾的重量，通过记录每天的数据情况，按需求进行蜂群数量的补充，以及及时摇蜜。图5.3.3阿里云显示设备在线图5.3.4阿里云温湿度及重量检测数据图能够很清楚的看到，设备状态显示在线，且点击后下方的查看，能够更加清晰地观察到此时此刻的环境温湿度及巢框左右两端分别承受的重量。在物模型数据处，开启实时刷新，则此四项数据能够每隔几秒进行一次刷新，能够有效的反映当时环境具体状况。同时下载相应的手机app，即云智能APP，在平台上设置人机交互，则可以通过手机端对数据进行随时随地的观测。通过配网二维码，将设备与该APP相连接，则手机页面能够显示各项数据。极大地减少了人力物力，减少了很多不必要的消耗。具体如下图5.3.5所示。图5.3.5手机端云智能APP显示数据图在手机端，打开云智能app，设备连接好之后，直接点击需要查看的设备名称，则能够进入此页面。如此一来，则不需要非得使用网页云平台进行检测。但是APP刷新较慢，与网页端得实时刷新功能，有一定的差距。但是也能够提供一定的参考价值和相对时间内的环境数据。5.4本章小结在本章中，将各个模块的程序进行整合，并将收集到的数据上传至云平台，且各模块正常工作，云平台也正常运行。表明该系统的各个传感器模块与数据传输一切正常，最终实现所需功能。6总结与展望6.1总结基于物联网技术的智慧蜂场巢框设计，能够满足蜂农大范围管理蜂箱，并为蜜蜂提供良好的生存环境，减少蜜蜂死亡率，提高蜜蜂的产蜜量。与传统的蜜蜂养殖技术相比，智慧蜂场能够为蜂农提供蜂箱内部较为精确的温度和湿度，以及通过巢框两端不同的重量值，可以快速的判断出巢框上蜜蜂的分布均匀程度，确保蜂蜜均匀产出，并且能够有效的判断出巢脾是否已经储满蜂蜜，大大减少了蜂农人工开箱查验的劳动量。本课题的研究过程，充分的了解了蜂农的需求，利用所学知识，将智慧蜂场巢框设想一步一步完成，实现了智慧蜂场的基本需求。当然该设计还不很多的不足之处，由于没有到现实的蜂场中进行过试用，因此无法确定该系统能否在实际应用中保持数据采集的稳定性和其实际的使用寿命和适用场景，即其在不同环境下的实用性还有待考证。在今后的学习中我也会继续学习新的知识，将整个设计的外观和系统进行完善，让其能够真正投入实际场景的应用中去。6.2展望在未来几年内，物联网技术有望在推进传统蜂场向智慧蜂场转型的过程中发挥必要的作用，为智慧蜂场的建设和整合提供必要的信息技术，让中国的养蜂业更加的规范化、合理化、数字化，提高蜂产品的生产效率和生产品质，进一步推进中国的蜂产业走向国际化。参考文献岳万福,游卫云,李诚,陈雨诺,罗晶晶,吴兵,施心雨.数字蜂业——引领蜂产业现代化发展[J].当代畜牧,2022,(04):119-122.赵海红,李昂,王红尧,银帅,于慧,龚勋.数字化智慧蜂场的研究与开发[J].蜜蜂杂志,2022,42(07):8-10.徐祖荫,王胤晨.智慧蜂场的遐想[J].蜜蜂杂志,2020,40(09):39-40.MahamanBD,HarizanisP,FilisI