溫室大棚智能無線監(jiān)控系統(tǒng)

朱鵬　龔宗輝　李盼盼　桂姝　陳庭宇

【摘 要】溫度和濕度是保證農(nóng)作物優(yōu)質生產(chǎn)中兩個重要因素，因此監(jiān)測和控制溫濕度對于溫室大棚農(nóng)作物來說至關重要。相較于以往的測溫測濕系統(tǒng)都是通過有線方式傳送數(shù)據(jù)，線路復雜布局困難、電線易老化等問題影響了其可靠性。而溫度、濕度傳感器這樣的設備并不需要很大的功率和傳輸速率。所以ZigBee技術以其低功耗、支持大量節(jié)點、數(shù)據(jù)無線傳輸且安全可靠的特點正好彌補了傳統(tǒng)測溫濕度系統(tǒng)的缺陷。并且由于傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測是通過儀器到溫室大棚內(nèi)檢測、記錄，然后再人工啟動相關的設備來調節(jié)溫濕度。當溫度或濕度超過極限值時，傳統(tǒng)的控制方式在調控和監(jiān)測之間有一個時間差，如果正好在這個時間差內(nèi)由于人工的疏忽而沒有及時的啟動相應設備來調控溫濕度就很可能造成不可逆轉的后果。本文主要研究實時監(jiān)測和控制大棚內(nèi)的溫濕度以保證大棚內(nèi)的溫濕度隨時處于正常水平。

【關鍵詞】溫室大棚；溫濕度；單片機；ZigBee

0.引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對新鮮、反季節(jié)瓜果蔬菜的需求不斷增加。加之中國又是一個耕地稀缺的人口大國，所以發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)是解決這一難題的不二之選。溫室大棚以其獨特的生產(chǎn)方式得到了廣泛的推廣和應用，由于我國溫室大棚發(fā)展較晚，目前國內(nèi)大棚自動化水平低，大棚溫濕度監(jiān)測可靠性低，所以現(xiàn)代化溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計越來越引起重視。為解決以上問題，本文針對大棚布局及作物生長的特點設計一套溫濕度無線監(jiān)測及實時控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)多點溫濕度的實時采集、無線傳輸及顯示，通過數(shù)據(jù)的分析，并結合大棚內(nèi)實際農(nóng)作物的生長特點來控制溫濕度，使作物達到優(yōu)質生長、高效高產(chǎn)的目的。整個系統(tǒng)操作簡便、組網(wǎng)靈活且容易擴展，具有較高的應用推廣價值。

1.系統(tǒng)的硬件設計

1.1系統(tǒng)硬件電路構成

本系統(tǒng)以單片機為控制核心，組成一個集溫濕度采集、傳輸、分析、顯示及自動調控于一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由溫濕度傳感器、ZigBee節(jié)點模塊、單片機、固態(tài)繼電器、負壓風機和濕簾組成。

1.2溫濕度采集模塊

1.2.1 DHT11溫濕度傳感器介紹

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，超小的體積、極低的功耗，使其成為溫濕度采集應用場合的最佳選擇。

1.2.2 DHT11的技術參數(shù)

供電電壓：3.3～5.5VDC

測量范圍：濕度20-90%RH，溫度0～50℃

測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃

分辨率：濕度1%RH，溫度1℃

1.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

1.3.1 ZigBee技術簡介

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是組網(wǎng)簡單、低功耗、高數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域。

1.3.2 ZigBee星形網(wǎng)絡的建立

由于ZigBee組網(wǎng)簡單、數(shù)據(jù)傳輸高效，本系統(tǒng)采用最簡單的星形網(wǎng)絡拓撲機構組網(wǎng)。本系統(tǒng)使用帶有zigbee協(xié)議的無線模塊，通過串口連接的方式來構建zigbee溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由一臺溫濕度數(shù)據(jù)集中器（zigbee協(xié)調器）和安裝在各處的溫濕度監(jiān)測節(jié)點（zigbee設備）組成的星形結構網(wǎng)絡構成。

1.4單片機模塊

1.4.1單片機概述

單片機是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備構成，相當于一個微型的計算機。單片機以其體積小、質量輕、價格便宜、功能齊全的特點在各領域得到廣泛的應用。

1.4.2 8051芯片的引腳分布

芯片引腳分布：

（1）電源引腳（2個）

（2）外接晶體引腳（2個）

（3）控制引腳（4個）

（4）并行輸入/輸出引腳（32個，分成4個8位口）

1.4.3 8051芯片的復位

8051單片機的復位方法有兩種：

（1）手動復位：按鈕按下，復位腳得到VCC的高電平，單片機復位，按鈕松開后，單片機開始工作。

（2）上電復位：上電后，電容電壓不能突變，VCC通過復位電容給單片機復位腳施加高電平5V，同時，通過10KΩ電阻向電容器反向充電，使復位腳電壓逐漸降低。經(jīng)一定時間后復位腳變?yōu)?V，單片機開始工作。

1.5溫濕度調節(jié)控制模塊

本系統(tǒng)設計為單片機接收到ZigBee節(jié)點模塊傳輸回來的溫濕度信息時，分析數(shù)據(jù)并判斷是否超出界限值，繼而由單片機發(fā)出高低電平控制信號來控制相關設備的啟停。由于單片機發(fā)出的電平信號是一個弱電信號，所以就需要加入繼電器來放大信號以達到弱電控制強電的目的。

1.5.1固態(tài)繼電器概述

固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關過程中無機械接觸部件，固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。

1.5.2 AC-SSR固態(tài)繼電器的關鍵技術參數(shù)

輸入電壓范圍：在環(huán)境溫度25℃下，固態(tài)繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。

輸入電流：在輸入電壓范圍內(nèi)某一特定電壓對應的輸入電流值。

接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時，輸出端確保導通。

關斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時，輸出端確保關斷。

額定輸出電流：環(huán)境25℃時的最大穩(wěn)態(tài)工作電流。

額定輸出電壓：能夠承受的最大負載工作電壓。

2.系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，包括定義端口、8051初始化、ZigBee模塊初始化，然后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷調用各種子程序，從而完成溫濕度的監(jiān)測和調控。主程序流程圖如圖2-1

圖2-1 主程序流程圖

3.結束語

本文針對當前溫室大棚溫濕度監(jiān)測與控制的弊端，利用ZigBee節(jié)點模塊、單片機、固態(tài)繼電器等設計了一套溫室大棚智能無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功耗低、傳輸數(shù)據(jù)高效快捷、組網(wǎng)簡單的特點，正好填補了當前溫室大棚測溫測濕系統(tǒng)的不足。并且該系統(tǒng)能夠隨溫室大棚的溫濕度變化而智能調控溫濕度，所以該（下轉第183頁）（上接第111頁）系統(tǒng)在發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)有著較高的應用價值。 [科]

【參考文獻】

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