基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

秦芹

摘 要：本文設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ARM7微控制器芯片的溫室大棚環(huán)境參數(shù)的信息采集系統(tǒng)。通過在大棚內(nèi)布置各種傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過NRF905無線收發(fā)芯片，將采集到的信息傳至控制中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。本系統(tǒng)具有功耗低、精度高、使用簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ARM7微控制器；低功耗；溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)

溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)的控制，是農(nóng)作物正常生長的關(guān)鍵因素，直接影響最終的產(chǎn)量高低。傳統(tǒng)的測量溫度、濕度、光照等參數(shù)的方法，經(jīng)過長期使用，暴露出很多缺點(diǎn)。如溫室內(nèi)的復(fù)雜布線及控制設(shè)備為農(nóng)作物的播種、施肥等活動帶來極大不便。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的溫室大棚中，彌補(bǔ)的傳統(tǒng)測量方法的不足，提高了工作效率，同時也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本課題，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測中，從軟硬件方面都做了系統(tǒng)的設(shè)計，并通過proteus仿真軟件驗證了改系統(tǒng)的可行性。圖1是本系統(tǒng)的總體框圖。

主要包含四部分，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊和上位機(jī)控制中心。測量節(jié)點(diǎn)由各種傳感器組成，包括溫度、濕度、光照傳感器，用來測量溫室中的各種環(huán)境參數(shù)；數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)是由微控制器控制信息數(shù)據(jù)的接收與傳送，一個微控制器能夠控制傳感器的數(shù)量有限，所以數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)也需要根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置多個；數(shù)據(jù)接收模塊通過射頻收發(fā)器控制數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送；上位機(jī)控制中心，主要負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送控制信息；通過遠(yuǎn)程控制中心，可是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計需要實(shí)現(xiàn)的幾大模塊包括：傳感器的布線、傳感器與微控制器的硬件連接、微控制器與無線通信模塊的硬件連接。

2.1 傳感器與微控制器的硬件連接

本系統(tǒng)中，溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片，濕度傳感器采用SHT75數(shù)字濕度傳感器，光照傳感器選用BH1750芯片，微控制器選用ARM7系列的LPC2124芯片。

2.1.1 DS18B20與微控制器的硬件連接

DS18B20是由美國DALLAS公司生產(chǎn)，具有體積小、耐磨耐碰、接口電路簡單、價格便宜等特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的供電方式有兩種：一種是寄生電源供電，DS18B20通過與微控制器連接的信號線汲取能量，滿足自身需求，不需外接電源，電路簡單；一種是外部電源供電，即通過外加電源的方法為DS18B20提供正常工作所需的能量，這種電路存在電源及時更換問題和電源壽命問題。本系統(tǒng)采用寄生電源供電，如圖2。與溫度控制器的連接電路如圖3所示。

2.1.2 濕度傳感器SHT75與微控制器的硬件連接電路設(shè)計

SHT75數(shù)字濕度傳感器是瑞士Secnsirion公司生產(chǎn)，采用了CMOS技術(shù)測量精度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)。外部引腳非常簡單，分別為GND、VCC、DATA和SCK引腳。與微控制器的連接電路如圖4所示

2.1.3 光照傳感器BH1750與微控制器的硬件連接電路設(shè)計

BH1750是一款I(lǐng)2C接口的數(shù)字式光照測量傳感器。與微控制器的連接電路如圖5所示。

2.2 微控制器LPC2124與無線收發(fā)芯片NFR905的硬件電路設(shè)計

NFR905由Nordic公司生產(chǎn)，可工作于433/868/915MHZ3個ISM免費(fèi)頻段。通過SPI接口與微控制器通信。具有功耗低、傳輸速度快、使用簡單等特點(diǎn)。與微控制器連接的硬件電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括：遠(yuǎn)程傳輸模塊；無線接收、發(fā)送模塊；上位機(jī)程序設(shè)計模塊。整體框圖如圖6所示。

3.1 測量節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

3.1.1 讀取溫度信息

微控制器讀取DS18B20測量的溫度信息需要執(zhí)行兩個工作周期，第一個工作周期內(nèi)，微控制器向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令，DS18B20正常工作情況下進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換操作；第二個工作周期進(jìn)行溫度讀取操作。需要注意的是，每個工作周期執(zhí)行之前，微控制器都要先向DS18B20發(fā)送低電平信號，使DS18B20復(fù)位，再發(fā)送其他指令。由于微控制器的一天I/O線上連有多個DS18B20，因此在設(shè)計程序時還要有判斷是讀一個溫度傳感器信息，還是去單條線路上所有溫度傳感器信息。程序流程圖如圖7所示。

3.1.2 讀取濕度信息

微控制器與濕度傳感器SHT75只有兩個引腳相連，因此控制程序也相對簡單。在讀取溫度之前要確保SHT75處于連接狀態(tài)，否在先觸發(fā)SCK時鐘信號一次，使串口復(fù)位。發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令之后，為控制器要反復(fù)查詢DATA引腳，直到DATA引腳為低，說明數(shù)據(jù)傳送完畢，同時讀取兩字節(jié)數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖8所示

4 結(jié)論

文本針對目前溫室大棚環(huán)境控制非自動化，多數(shù)還處于人工操作階段等問題，提出并設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有效解決了環(huán)境數(shù)據(jù)不能及時獲取、監(jiān)測系統(tǒng)功耗大、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、系統(tǒng)成本高體積大、妨礙農(nóng)作物生長等問題。但還是存在一些問題，如傳感器節(jié)點(diǎn)能量供給問題，傳輸距離短等問題，需要在今后的工作中繼續(xù)研究。

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