溫室中無線環(huán)境測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了克服溫室測控系統(tǒng)中線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線環(huán)境測控系統(tǒng)。系統(tǒng)由監(jiān)測終端和探測節(jié)點(diǎn)組成，探測節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對溫室中溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度的檢測與采集，并實(shí)現(xiàn)信息的無線發(fā)射；監(jiān)測終端接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，顯示環(huán)境信息并作出控制。設(shè)計(jì)的無線環(huán)境測控系統(tǒng)將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，工作性能穩(wěn)定，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性與可擴(kuò)展性好、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，有利于溫室的智能化和統(tǒng)一化管理。

關(guān)鍵詞：溫室；傳感器；無線傳輸；單片機(jī)

中圖分類號：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）04-0356-03

收稿日期：2013-08-22

基金項(xiàng)目：河北省唐山市科技項(xiàng)目（編號：10120201C-7、12140206A-2）；唐山師范學(xué)院教改項(xiàng)目（編號：2011001015）。

作者簡介：姜麗飛（1977—），女，河北唐山人，碩士，副教授，主要從事測量與控制方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：jianglifei1977@163.com。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國的農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐步擺脫了延續(xù)數(shù)千年的耕作方式，走上了現(xiàn)代化、設(shè)施化的道路?，F(xiàn)代化的溫室以其環(huán)境可控、易于管理、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。無線傳輸技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用不但節(jié)約了成本、降低了布線的難度，同時也降低了人工測控的繁瑣，提高了生產(chǎn)及管理效率。本研究設(shè)計(jì)的溫室中無線環(huán)境測控系統(tǒng)能夠做到實(shí)時監(jiān)測溫室中的環(huán)境信息并作出相應(yīng)的控制，從而減輕種植人員的負(fù)擔(dān)，促進(jìn)溫室中作物的正常成長。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的無線環(huán)境測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫室中溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度的檢測，系統(tǒng)由監(jiān)測終端和探測節(jié)點(diǎn)組成。多個探測節(jié)點(diǎn)主要完成溫室中環(huán)境信息的采集及無線發(fā)送，探測節(jié)點(diǎn)的組成框架見圖1。監(jiān)測終端的框架如圖2所示，可以看出監(jiān)測終端主要由單片機(jī)、鍵盤、液晶顯示電路、無線數(shù)據(jù)收發(fā)電路、控制電路和報(bào)警電路組成。監(jiān)測終端具有良好的人機(jī)界面，采用C系列液晶顯示器OCM4×8C顯示溫室中當(dāng)前的空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等參數(shù)，系統(tǒng)配有4×4鍵盤，用于輸入控制系統(tǒng)的各參數(shù)的預(yù)設(shè)值。監(jiān)測終端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，給出合適的控制信號，經(jīng)三極管放大后便驅(qū)動遮陽網(wǎng)、噴淋裝置和通風(fēng)裝置，從而實(shí)現(xiàn)溫室中溫度、濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境因子的自動控制。

1.2系統(tǒng)模塊的電路設(shè)計(jì)

1.2.1單片機(jī)選型本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 k在系統(tǒng)中可編程的Flash存儲器，與工業(yè)89C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上的Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)中可編程，也適用于常規(guī)編程器，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了靈活、有效的解決方案[1]。 AT89S52單片機(jī)引腳圖如圖3所示[2]。

1.2.2傳感器選擇（1）空氣溫度、濕度的檢測：溫室中溫度、濕度的檢測采用數(shù)字傳感器DHT11。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能的8位單片機(jī)相連接，因此本產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)；單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易快捷；超小的體積、極低的功耗，使其成為最為苛刻的應(yīng)用場合中的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便[3]，圖4為DHT11與單片機(jī)的接線電路圖。

（2）光照度檢測：光照傳感器利用光敏電阻的光敏特性完成對環(huán)境中光照強(qiáng)度的判斷。光信號由電阻R1和光敏電阻R2分壓的方式獲得，光敏電阻的一端接地，通過調(diào)節(jié)R1來調(diào)節(jié)電壓，使得電阻在不同光照條件下輸出不同的電壓值，進(jìn)而經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。AD7705 是AD 公司新推出的16 位AD 轉(zhuǎn)換器，器件包括由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，可編程數(shù)字濾波器等部件，從而直接將傳感器測量到的多路微小信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換（圖5）。報(bào)警電路由蜂鳴器和驅(qū)動電路組成，電路簡單實(shí)用，功耗低。

（3）CO2濃度檢測：采用紅外CO2傳感器LDC-A1檢測棚內(nèi)CO2濃度。LDC-A1量程為0～5 000 mg/L，供電電壓 5 V（直流），功耗小于100 mV，該儀器功耗低、防水、抗震動。

1.2.3nRF24L01無線傳輸電路 系統(tǒng)通過無線收發(fā)模塊傳輸現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)所處環(huán)境較惡劣，因此對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高。綜合考慮以上因素，本系統(tǒng)采用nRF24L01作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，有6路通道的數(shù)據(jù)接收，工作電壓為1.9～3.6 V，為低電壓工作；具有自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能，具有地址及CRC檢驗(yàn)功能，數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s或 2 Mb/s，SPI 接口數(shù)據(jù)速率0～8 Mb/s[4]。

nRF24L01有4種工作模式：即接收模式、發(fā)送模式、待機(jī)模式和掉電模式，其工作模式由PWR_UP、CE和CS3個引腳決定。其中收發(fā)模式有2種，即ShockBurstTM模式和增強(qiáng)型ShockBurstTM模式。在ShockBurstTM模式下，nRF24L01可以與成本較低的低速M(fèi)CU相連，高速信號處理是由芯片內(nèi)部的射頻協(xié)議進(jìn)行的。nRF24L01提供的SPI接口數(shù)據(jù)率取決于單片機(jī)本身的接口速度，通過允許與單片機(jī)的低速通信和無線部分的高速通信，ShockBurstTM模式減小了通信的平均消耗電流。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)即采用ShockBurstTM模式[5]。

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機(jī)接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設(shè)計(jì)[6]要使單片機(jī)穩(wěn)定可靠地工作，電源必須穩(wěn)定。220 V電壓經(jīng)變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓，可以作為單片機(jī)AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數(shù)據(jù)傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設(shè)計(jì)用LM317制作穩(wěn)壓電路。電路如圖7所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1通信協(xié)議

對于一個無線監(jiān)測系統(tǒng)來說，可以接收很多個探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每個從機(jī)都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機(jī)編號不能重復(fù)，以免發(fā)生通信沖突。本試驗(yàn)采用

中斷接收方式接收、發(fā)送環(huán)境信息，在所有的數(shù)據(jù)傳送中都用相同的通信協(xié)議來判斷通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置、執(zhí)行相應(yīng)的命令，通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表2。

監(jiān)測終端工作在監(jiān)控狀態(tài)下，等待探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)如果正確則發(fā)送應(yīng)答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數(shù)據(jù)錯誤，則丟棄數(shù)據(jù)，探測節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時間內(nèi)收不到應(yīng)答信號則重新發(fā)送。

2.2系統(tǒng)軟件

3結(jié)論

（1）用NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸有效距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)抗干擾效果好；（2）系統(tǒng)帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機(jī)交互，方便使

用；（3）本系統(tǒng)將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，具有工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，能夠克服溫室測控系統(tǒng)中線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，有利于蔬菜大棚的智能化和統(tǒng)一化管理；（4）系統(tǒng)可靠性與可擴(kuò)展性好，做相應(yīng)的改變即可應(yīng)用于各種需要環(huán)境信息監(jiān)測的系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]高旭，朱軍 .基于AT89S52單片機(jī)的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)，2010，37（1）：60-61.

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[3]倪天龍. 單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（6）：60-62.

[4]張崇，于曉琳，劉建平. 單片2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片nRF2401及其應(yīng)用[J]. 國外電子元器件，2004（6）：34-36.

[5]劉志平，趙國良. 基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸[J]. 應(yīng)用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 電工學(xué)[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機(jī)接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設(shè)計(jì)[6]要使單片機(jī)穩(wěn)定可靠地工作，電源必須穩(wěn)定。220 V電壓經(jīng)變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓，可以作為單片機(jī)AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數(shù)據(jù)傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設(shè)計(jì)用LM317制作穩(wěn)壓電路。電路如圖7所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1通信協(xié)議

對于一個無線監(jiān)測系統(tǒng)來說，可以接收很多個探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每個從機(jī)都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機(jī)編號不能重復(fù)，以免發(fā)生通信沖突。本試驗(yàn)采用

中斷接收方式接收、發(fā)送環(huán)境信息，在所有的數(shù)據(jù)傳送中都用相同的通信協(xié)議來判斷通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置、執(zhí)行相應(yīng)的命令，通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表2。

監(jiān)測終端工作在監(jiān)控狀態(tài)下，等待探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)如果正確則發(fā)送應(yīng)答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數(shù)據(jù)錯誤，則丟棄數(shù)據(jù)，探測節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時間內(nèi)收不到應(yīng)答信號則重新發(fā)送。

2.2系統(tǒng)軟件

3結(jié)論

（1）用NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸有效距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)抗干擾效果好；（2）系統(tǒng)帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機(jī)交互，方便使

用；（3）本系統(tǒng)將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，具有工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，能夠克服溫室測控系統(tǒng)中線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，有利于蔬菜大棚的智能化和統(tǒng)一化管理；（4）系統(tǒng)可靠性與可擴(kuò)展性好，做相應(yīng)的改變即可應(yīng)用于各種需要環(huán)境信息監(jiān)測的系統(tǒng)中。

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[6]秦曾煌，姜三勇. 電工學(xué)[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機(jī)接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設(shè)計(jì)[6]要使單片機(jī)穩(wěn)定可靠地工作，電源必須穩(wěn)定。220 V電壓經(jīng)變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經(jīng)過三端穩(wěn)壓器LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓，可以作為單片機(jī)AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數(shù)據(jù)傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設(shè)計(jì)用LM317制作穩(wěn)壓電路。電路如圖7所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1通信協(xié)議

對于一個無線監(jiān)測系統(tǒng)來說，可以接收很多個探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每個從機(jī)都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機(jī)編號不能重復(fù)，以免發(fā)生通信沖突。本試驗(yàn)采用

中斷接收方式接收、發(fā)送環(huán)境信息，在所有的數(shù)據(jù)傳送中都用相同的通信協(xié)議來判斷通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置、執(zhí)行相應(yīng)的命令，通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)見表2。

監(jiān)測終端工作在監(jiān)控狀態(tài)下，等待探測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)如果正確則發(fā)送應(yīng)答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數(shù)據(jù)錯誤，則丟棄數(shù)據(jù)，探測節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時間內(nèi)收不到應(yīng)答信號則重新發(fā)送。

2.2系統(tǒng)軟件

3結(jié)論

（1）用NRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)主從機(jī)間的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸有效距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)抗干擾效果好；（2）系統(tǒng)帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機(jī)交互，方便使

用；（3）本系統(tǒng)將傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，具有工作性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，能夠克服溫室測控系統(tǒng)中線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，有利于蔬菜大棚的智能化和統(tǒng)一化管理；（4）系統(tǒng)可靠性與可擴(kuò)展性好，做相應(yīng)的改變即可應(yīng)用于各種需要環(huán)境信息監(jiān)測的系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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