1、畢業設計說明書摘 要本文針對Arduino能通過各種傳感器感知環境的功能，對現有的物聯網技術進行了分析和研究，詳細介紹了Arduino平臺下植物狀態監測系統的設計與實現。文章首先分析了物聯網技術的背景和意義。然后在第一章和第二章簡單介紹了單片機和Arduino的相關信息，第三章介紹了本次設計所需要的器材，從第四章到第六章中詳細描述了關鍵的數據上傳和實時監控部分，包括：如何采集數據，如何進行數據上傳，將從傳感器上獲取的數據上傳到后臺WEB，以及上傳之后處理數據，設置預警等。最后本文還分析了在數據上傳和處理數據時遇到的一些問題和解決方案，展望了一些擴展功能。【關鍵詞】 物聯網 Arduino 植物

2、狀態 監測AbstractAccording to the Arduino through a variety of sensors to perceive the environment function, the existing networking technology for analysis and research, introduces the design and implementation of plant condition monitoring system based on Arduino platform.This paper analyzes the backg

3、round and significance of the technology of IOT firstly. And then, from the fourth chapter to the sixth chapter, the key data upload and real-time monitoring parts are described in detail, including: How to upload data, upload the data from the sensor to the background WEB, and processing data, set

4、the alarm, etc. Finally, this paper also analyzes some problems in data processing and data upload and solutions.【Key Words】 IOT Arduino plant condition monitoring目 錄摘要IAbstractII目錄III前言11單片機為核心器件Arduino21.1單片機定義21.2單片機和個人計算機之間的異同21.3單片機的功能21.4單視圖22 Arduino的基本組成32.1 Arduino定義32.2 Arduino的誕生32.3 Ardu

5、ino語言32.3.1 關鍵字42.3.2 語法符號42.3.3 運算符42.3.4 數據類型52.3.5 常 量52.3.6 結 構62.3.7 功 能63 本次設計所需的硬件與軟件73.1 Arduino UNO73.1.1 Arduino uno基本概要83.1.2 通信接口83.1.3 下載程序93.1.4 注意要點93.2 DHT11傳感器和LY-6993.3 開發環境114 植物生長狀態監測系統介紹124.1 設計思路124.2設計步驟134.2.1設置網絡134.2.2獲取數據134.2.3數據分析134.2.4處理分析結果134.2.5設置預警134.2.6與用戶交互135植物

6、生長狀態監測系統概要設計135.1工作原理135.2工作流程圖156植物生長狀態監測系統詳細設計166.1設計目的166.2功能模塊設計166.2.1網絡連接166.2.2獲取數據176.3系統調試196.3.1編譯程序196.3.2上傳程序207運行環境與結論247.1硬件環境247.2軟件環境247.3運行環境247.4運行結果24存在的問題和不足28總結29致謝30參考文獻31畢業設計說明書前 言物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是信息化時代的重要發展階段。其中Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino I

7、DE)。它是一個基于開放原始碼的軟硬件平臺，構建于開放原始碼simple I/O介面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。Arduino包含兩個主要的部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板；另外一個則 是Arduino IDE，你的計算機中的程序開發環境。你只要在IDE中編寫程序代碼，將程序上傳到Arduino電路板后，程序便會告訴Arduino電路板要做些什么了。隨著社會的發展，生產技術的更新，物聯網理念如今已經逐漸深入人心，并隨著傳感器技術、通信技術和物聯網技術的發展逐漸觸及社會的每一個角落。不論在農業生產與個人生活中都可以用物

8、聯網技術讓其變得更好。在農業生產和個人生活中，當某些植物的養殖價值昂貴時，對其的實時監控就變得十分必要，而土壤濕度是植物生長狀態的一項重要指標。例如郁金香的生長期適溫為5-20，最佳溫度為15-18，植株的生育溫度應保持在0-25。郁金香根系的生長溫度宜在5以上，14以下，尤為10左右最佳。花芽分化的適溫為17-23，超過35時，花芽分化會受到抑制。另外，郁金香有極強的耐寒性，冬季可耐-35的低溫，當溫度保持在8以上時開始生長。本系統主要是完成了對土壤濕度的實時監測，并根據所需RH范圍與實際RH比較，出現異常情況及時的提醒用戶以及記錄。其中對于系統來說最重要的就是數據的實時上傳和與用戶的交互。

9、1單片機為核心器件ArduinoDefinition 2.1 MCU1.1單片機定義The microcontroller, monolithic microcomputer (English: Single-ChipMicrocomputer), also known as micro controller (Microcontroller), is the central processor, memory, timer / counter (Timer/Counter), all the input and output interface are integrated in a mic

10、ro computer on an integrated circuit chip.單片機，單片微型計算機（英語：單片機），也被稱為微控制器（單片機），是中央處理器，存儲器，定時器/計數器（定時器/計數器），所有的輸入和輸出接口都集成在集成電路芯片上的微型計算機。The similarities and differences between the 2.2 microcontroller and personal computer1.2單片機和個人計算機之間的異同A computer that works to have the following parts: the central pr

11、ocessing unit CPU (operation, control) and random access memory RAM (data storage), read-only memory (ROM memory), input / output devices I/O (serial and parallel output port etc.). In the personal computer (PC) these parts are divided into several chips, mounted on a printed circuit board called on

12、 the motherboard. In SCM, these are all part of a piece of integrated circuit chip, therefore is called monolithic (single chip microcomputer) machine, and some in addition to the above part, is also integrated with other parts such as analog / digital conversion (A/D) and analog / digital conversio

13、n (D/A) etc. The application of computer in the high-end, in the low-end microcontroller applications, the two have their own living space, at least in the short term there will be one to replace another kind of situation.計算機工程有以下幾部分組成：中央處理單元（CPU運行，控制）和隨機存取存儲器RAM（數據存儲），只讀存儲器（ROM），輸入/輸出設備I/O（串行和并行輸出端

14、口等）。在個人電腦（PC）這些部分被分成幾片，安裝在印刷電路板稱為主板上。在供應鏈管理中，這些都是一塊集成電路芯片的一部分，所以稱為單片機（單片機），和一些除了以上部分，還結合其他部位如模擬/數字轉換（A/D）和模擬/數字轉換（A/D）等。計算機在高端應用，中低端單片機的應用，兩者都有各自的生活空間，至少在短期內會有一個替代的另一種情況。2.3 MCU function1.3單片機的功能In the actual work where the computer is not any need for a high performance computer, a computer can con

15、trol the refrigerator temperature for core processor? The key is to see whether enough, whether there is a good cost performance ratio. If a refrigerator are needed to deal with core temperature control, the price is the price. MCU control, commonly used in industrial production and life related pro

16、cedures and controls (such as: electronic organ, refrigerators, air conditioners and other intelligence).在計算機不需要任何高性能計算機的實際工作中，計算機可以控制為核心處理器的冰箱的溫度？關鍵是看是否足夠，是否有良好的性能價格比。如果冰箱需要處理核心的溫度控制，價格價格。單片機控制，常用于工業生產和生活有關的程序和控制（如：電子琴，冰箱，空調和其他情報）。2.4 single view1.4單視圖This is an Atmega328P-PU microcontroller, 8 bit

17、 processor, AVR instruction set based on the frequency of 20MHz, memory of 32KB.這是一個atmega328p PU微控制器，8位處理器，基于20MHz頻率AVR指令集，內存32KB。圖1-1 Atmega328P-PU單片機2 Arduino的基本組成2.1 Arduino定義Arduino，是一個開放源代碼的計算機控制器，基于開放源代碼軟件的硬件和軟件平臺，基于開放源代碼的簡單接口的I / O版本，并有一個類似的Java，C語言的開發環境，處理/接線。2.2 Arduino的誕生2005冬，馬西莫Banzi和戴維

18、Cuartielles討論學生抱怨微控制器問題缺乏是便宜和容易使用，討論決定設計自己的電路板，電路板通過班齊戴維Mellis.設計學生的編程語言。兩天后，戴維Mellis.寫代碼。三天以后，董事會是完整的。電路板被命名為Arduino。隨后Banzi，Cuartielles，和Mellis把原理圖在線。保持開源理念的設計，因為著作權法律監督是開源軟件，但它是很難使用的硬件，他們決定采用創作共用許可證。在Creative Commons許可，任何人不得生產電路板的復制品，但也重新設計，甚至原設計銷售文案。你不需要支付使用費，甚至不允許獲得Arduino團隊。只保留名稱Arduino。它是作為商標

19、注冊。2.3 Arduino語言Arduino語言是建立在C / C + +的基礎，也是基于C語言。2.3.1 關鍵字 if · if.else · for · switch case · while · do. while · break · continue · return · goto 2.3.2 語法符號 · ; · · / · /* */ 2.3.3 運算符 · = · + · - · * · /

20、83; % · = · < · > · <= · >= · && · | · ! · + · - · += · -= · *= · /= 2.3.4 數據類型 · boolean 布爾類型 · char 字符類型 · byte 字節類型 · int 整數類型 · unsigned int 無符號整型 · long 長整型 · unsigned lo

21、ng 無符號長整型 · float 實數類型 · double · string · array · void 2.3.5 常 量 · HIGH | LOW 表示數字IO 口的電平，HIGH 表示高電平（1），LOW 表示低電平（0）。 · INPUT | OUTPUT 表示數字IO口的方向，INPUT 表示輸入（高阻態），OUTPUT 表示輸出（AVR能提供 5V電壓 40mA 電流）。 · true | false true 表示真（1），false表示假（0）。 以上為基礎C語言的關鍵字和符號，大家可以了解，

22、具體使用可以結合實驗的程序。2.3.6 結 構· void setup() 初始化發量，管腳模式，調用庫函數等 · void loop() 連續執行函數內的語句 2.3.7 功 能數字 I/O· pinMode(pin, mode) 數字IO口輸入輸出模式定義函數，pin表示為013，mode表示為INPUT或OUTPUT。· digitalWrite(pin, value) 數字IO口辒出電平定義函數，pin表示為013，value表示為HIGH或LOW。比如定義HIGH可以驅動LED。· int digitalRead(pin) 數字IO口

23、讀輸入電平函數，pin表示為013，value表示為HIGH或LOW。比如可以讀數字傳感器。模擬I/Oint analogRead(pin) 模擬IO口讀函數，pin表示為05（Arduino Diecimila 為 05（Arduino nano為07）。比如，可以讀模擬傳感器（10位AD，05V表示為01023）。 · analogWrite(pin, value)-PWM 數字IO口PWM輸出函數，Arduino數字IO口標注了PWM的IO口可使用該函數。pin表示3,5,6,9,10,11，value 表示為0255。比如，可用于電機PWM調速或音樂播放。 時間函數 

24、3; delay(ms) 延時函數（單位ms）。 · delayMicroseconds(us) 延時函數（單位 us）。數學函數 · min(x,y) 求最小值 · max(x,y) 求最大值 · abs(x) 計算絕對值 · constrain(x,a,b) 約束函數，下限a，上限b，x必須在ab之間才能返回。 · map(value,fromLow,fromHigh,toLow,toHigh) 約束函數，value必須在fromLow與toLow之間和fromHigh與toHigh之間。 · pow(base,expo

25、nent) 開方函數，base的exponent次方。 · sq(x) 平方 · sqrt(x) 開根號3 本次設計所需的硬件與軟件實驗器件數量Arduino uno1塊EthernetW5100擴展板1塊土壤濕度傳感器1個DHT11溫濕度傳感器1個導線若干表3-13.1 Arduino UNOArduino Uno是Arduino接口USB系列的最新版本，如Arduino平臺參考標準模板。烏諾處理器核心是ATmega328，14個數字輸入/輸出（包括6路PWM輸出），6個模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB端口，一個電源插座，一個擴展報頭和復位按鈕。聯合國已經發

26、布了第三版，與前兩版相比具有以下新的特點：In the AREF two pin SDA and SCL increase, increase IOREF and support the I2C interface; a reserved pin, future expansion should be compatible with 5V and 3.3V core board. This improves the reset circuit design, USB interface chip by ATmega16U2 instead of ATmega8U2. Figure 4-1 im

27、proved Arduino UNO.在任命兩引腳SDA和SCL的增加，增加Ioref支持I2C接口；預留針，未來的發展應該與5V和3.3V的核心板兼容。這提高了復位電路的設計，USB接口芯片的atmega16u2代替atmega8u2。圖3-1改進Arduino Uno。圖3-1 Arduino UNO3.1.1 Arduino uno基本概要l 處理器 ATmega328 l 工作電壓 5V l 輸入電壓（推薦） 7-12V l 輸入電壓（范圍） 6-20V l 數字IO腳 14 (其中6路作為PWM輸出） l 模擬輸入腳 6 l IO腳直流電流 40 mA l 3.3V腳直流電流 50

28、mA l Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB用于bootloader） l SRAM 2 KB （ATmega328） l EEPROM 1 KB （ATmega328） l 工作時鐘 16 MHz 3.1.2 通信接口串口：ATmega328內置的UART可以通過數字口0（RX）和1（TX）與外部實現串口通信；ATmega16U2可以訪問數字口實現USB上的虛擬串口。 TWI（兼容I2C）接口。SPI 接口。3.1.3 下載程序Arduino UNO上的ATmega328已經預置了bootloader程序，因此可以通過Arduino軟件直接下載程序到

29、UNO中。 也可以直接通過UNO上ICSP header直接下載程序到ATmega328。 ATmega16U2的Firmware（固件）也可以通過DFU工具升級。 3.1.4 注意要點Arduino UNO上USB口附近有一個自恢復的保險絲，對電路起到保護作用。當電流超過500mA時會斷開USB連接。 Arduino UNO提供了自動復位設計，可以通過PC主機復位。這樣通過Arduino軟件下在程序到UNO中，軟件可以自動復位，不需要手動復位按鈕。在印制板上絲印“RESET EN”處可以使能和禁止該功能。3.2 DHT11傳感器和LY-69DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準熟悉信號輸

30、出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為給類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便。 技術參數 供電電

31、壓： 3.35.5V DC 輸 出： 單總線數字信號 測量范圍： 濕度20-90%RH， 溫度050 測量精度： 濕度+-5%RH， 溫度+-2 分 辨 率： 濕度1%RH， 溫度1 互 換 性： 可完全互換 ， 長期穩定性： <±1%RH/年 圖3-2 DHT11LY-69土壤濕度傳感器表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應面積，可以提高導電性能，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命；產品可以寬范圍控制土壤的濕度，通過電位器調節控制相應閥值，濕度低于設定值時，DO輸出高電平，高于設定值時，DO輸出低電平；比較器采用LM393芯片，工作穩定，工作電壓3.3V-5V，設有固定螺栓孔，

32、方便安裝，PCB尺寸：3.2cm * 1.4m。 圖3-3 LY-69/FC-283.3 開發環境本次設計使用的軟件為Arduino開發環境Arduino-1.5.5-r2，如圖3-4所示。圖3-4 開發環境4 植物生長狀態監測系統介紹4.1 設計思路對于植物養殖最重要的就是植物的養殖環境，環境的整體情況直接影響植物的生長。環境的整體情況可以從一些具體的數據體現，例如空氣的溫度，相對濕度，土壤的溫度，相對濕度。我們可以用不同的傳感器可以分別檢測到這些數據。采集到數據后是最重要的分析數據，我們先把數據通過Arduino UNO和W5100擴展板上傳到后臺WEB平臺，然后再WEB平臺內設置相應的溫

33、度，濕度正常值，最佳值和低于標準或高于標準的值。將他們和上傳的數值相較，如果不正常的話做出相應的反應，例如低于或高于標準值的時候，發送短信、郵件和微博提醒。后臺WEB平臺設置相應的命令可以讓我們在微信中使用，使用相應命令可以隨時查看植物生長情況。4.2設計步驟4.2.1設置網絡設置上傳數據需要的網絡環境。4.2.2獲取數據利用DHT11和LY-69兩個傳感器分別檢測出空氣和土壤的溫度和相對濕度。以Arduino板連接傳感器獲取檢測出的數據。4.2.3數據分析將獲取的不同數據，以不同的資源進行處理，根據數據做出對當時植物生長環境的判斷。4.2.4處理分析結果將數據記錄下來，隨著時間推移形成曲線圖

34、。4.2.5設置預警將溫度、相對濕度數值的不同范圍分別設置為正常、良好、非正常。4.2.6與用戶交互用戶可以通過微信隨時查看植物生長環境情況，監測系統也會定時發送監測情況到相應微博，相應數值不正常時會通過短信、郵件提醒用戶。5植物生長狀態監測系統概要設計5.1工作原理用戶將系統成品連接網線電源，放置于想要監控的植物旁，將土壤濕度傳感器插入土壤就可以開始監控其生長環境。1） DHT11會采集空氣中的溫度和相對濕度，LY-69會采集土壤中的相對濕度。2） 通過W5100擴展板，會將采集的數據上傳到后臺WEB端。3） WEB端會記錄接收到的數據，繪制曲線圖；在特定的時間將監測到的情況以微博、郵件的形

35、式記錄下來。如某時刻接受到的數據部在標準內，會發送短信提醒用戶。用戶可以通過微信隨時查看監測到的情況。圖51 監測系統工作圖5.2工作流程圖圖 52 監測系統工作流程圖6植物生長狀態監測系統詳細設計6.1設計目的當前很多人都有養殖一些花草類植物的愛好，在經過一些查找資料后會知道怎么去養好一種植物，但是大多數人的工作都是很繁忙的，他們沒有太多時間去管理自己所養的植物，而又不想自己養的植物出現不良的生長狀況。對于植物的實時監控就能解決這個問題。本設計題目為Arduino平臺下植物狀態監測，其用途就是用來對植物生長的環境進行監測，進而得到植物的狀況。將得到的植物狀況定時發送給用戶，用戶也可以隨時查看

36、監測到的植物狀況。6.2功能模塊設計6.2.1網絡連接設計思路本次設計采用的是Arduino物聯網的技術，網絡連接是必須的。經過查找資料后發現有很多連接網絡的辦法，有Arduino+以太網，藍牙等方法，最后選擇的是Arduino+w5100擴展板連接網絡。實現方法將Aduino UNO 3與配套的Ethernet W5100擴展板連接到一起，以Aruidno UNO 3 來控制程序，Ethernet W5100擴展板連接網線通過路由器上網。以筆記本作為Router，網線一端直接連接到筆記本，另一端連接Ethernet W5100擴展板。筆記本需要將類似Router的

37、功能打開，將正在使用的網絡適配器打開，設置Internet協議版本4（TCP/IPv6）設置DNS和主機的IP地址，子網掩碼。再去Arduino 1.5.5-r2設置IPAddress ip，IPAddress mydns，IPAddress gw，IPAddress subnet。將網絡的屬性打開，共享屬性里面勾選允許其他網絡用戶通過此計算機的INTERNET來連接，設置允許使用WEB服務器HTTP80端口。核心代碼圖6-16.2.2獲取數據設計思路首先測試連接成功與否，成功則測試獲取數據成功與否，成功輸出到串口監視器，不成功則請檢查針腳。實現方法1

38、） 獲取DHT11的數據：設置數據接受引腳為3，將Arduino UNO3擴展板W5100上的電源5V和GND線連接到面包板上，將DHT11按照對應引腳連接到面包板，將DHT11在面包板上對應的數據引腳連接到Arduino UNO3擴展板W5100上3號引腳。設置好相應的數據接口名字。2） 獲取LY-69的數據：將LY-69連接到控制板，控制板上有ACC、GND、DATA線，分別按照方法1）的連接方法連接到面包板，將Arduino UNO3擴展板W5100上數據引腳3號連接到面包板，再把LY-69控制板的DATA線連接到面包板對應的引腳中。設置好相應的數據接口名字。核心代碼1）圖

39、6-22）圖6-36.3系統調試6.3.1編譯程序點擊編譯按鈕，編譯按鈕會發成黃色，下面出現正在編譯sketch.，這表示軟件正在對你所寫的程序進行編譯，如圖6-4所示。圖6-4 編譯程序 等待一會，會看到編譯按鈕恢復原來的狀態，下面出現編譯完成，這表明，程序編譯成功，并且沒有語法上的錯誤。如圖6-5所示。圖6-5 編譯完成6.3.2上傳程序上傳程序前先將板子型號和com口選好。點擊工具->板選擇開發板型號，如圖6-6所示。圖6-6 選擇板型查看串口，然后選擇正確的串口，選擇過后串口前面會打鉤，如圖6-7所示。圖6-7選擇串口點擊上傳按鈕，同時板子上標有TX和RX的燈會亮，如圖6-8所示

40、。圖6-8 上傳程序查看串口，連接成功如圖6-9所示。圖6-9 串口查看7運行環境與結論7.1硬件環境處理器：Intel(R) Core(TM) i3 CPU M370內存（RAM）：4GB7.2軟件環境操作系統：Windows 7 professional (Service Pack1)系統類型：64位操作系統編程語言：arduino/c開發工具：Arduino 1.5.5-r27.3運行環境軟件要求：Windows XP（須安裝Microsoft .NET Framework SDK），Windows 7（Microsoft .NET Framework SDK），Linux（須安裝Mon

41、o）硬件要求：CPU ：Intel Pentium IV（或更高）內存：512MB（或更高）7.4運行結果經過多次的測試，該程序能夠準確的采集數據并在串口顯示，能夠實現任務書要求的功能，基本滿足植物狀態監測的整體要求，運行結果如圖。圖7-1 運行結果圖1圖7-2 運行結果圖2圖7-3 運行結果圖3圖7-4 運行結果圖4圖7-5 實物圖存在的問題和不足在設計之初需求分析做的太簡單，對于很多問題沒有考慮到。遇到的問題其實很多，就不一一舉例，簡單說幾個遇到的問題。面包板的選擇問題，開始用的買Aduino uno送的面包板并不是很好用，經常出現斷開的情況，后來又專門買了一款開發用的面包板解決了問題。在

42、連接網絡的時候也出現了問題，開始覺得應該只要能上網的網絡應該都能連接上，能夠實現數據上傳，結果并不是如此，有些網絡對于后臺WEB端根本就連接不上，導致的數據上傳失敗，例如鐵通網絡在上傳到樂聯網的時候就無法上傳，鐵通能夠登陸樂聯網，但是不能上傳。通過查找資料，發現樂聯網所用的是阿里云BGP數據中心，是電信網通雙線接入，并沒有鐵通的，鐵通網絡不能對其上傳數據。最后是換成了電信寬帶才成功上傳。在寫代碼的過程中，開始對于幾個傳感器是分開寫的，沒有整合在一起，雖然分開的時候每個傳感器都沒有問題，可以實現采集與上傳，但是整合在一起后發現Arduino中格式化輸出也不能隨便寫，會導致連接問題，這個問題困擾了很久，最后控制了格式后，才能成功將幾個傳感器的采集數值都用格式化輸出顯示。做設計的時候也存在很多不足，自己對于知識掌握度比較淺的問題也尤為突出，在做自己不擅長或者說沒接觸過的領域時，功課做的不夠就草率開始，讓自己犯了很多可以避免的錯誤。以后的學習生活中當盡量避免這次犯的錯誤。總結此