全智能大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

殷 剛，趙 琳

（西南交通大學(xué)峨眉校區(qū) 電氣工程系，四川 峨眉 614202）

傳統(tǒng)的溫濕度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)，通過讀取溫度值和濕度值了解實(shí)際溫濕度，然后根據(jù)現(xiàn)有溫濕度與額定溫濕度進(jìn)行比較，看溫濕度是否過高或過低，然后進(jìn)行相應(yīng)的通風(fēng)或者灑水[1]。這些操作都是在人工情況下進(jìn)行的，耗費(fèi)了大量的人力物力?，F(xiàn)在，隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品在大棚中培育的品種越來越多，對于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫濕度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。溫室大棚的建設(shè)對溫濕度檢測與控制技術(shù)也提出了越來越高的要求。

為了解決上述難題，本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，利用無線通信，具有數(shù)據(jù)的采集、處理、實(shí)時(shí)顯示、環(huán)境的調(diào)節(jié)等功能，實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫濕度和光照的調(diào)節(jié)，達(dá)到作物生長的最佳條件。不僅具有控制方便、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，還能夠大大提高縮短農(nóng)作物的成熟期，提高效率，節(jié)約成本。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)由3部分組成：采集小車、控制端及監(jiān)控端。采集小車以循跡小車為平臺(tái)，搭載溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器（用于循跡）、無線模塊，在跑道上沿著黑線運(yùn)行，采集預(yù)設(shè)點(diǎn)位置的溫度、濕度和光照值并通過無線模塊發(fā)送給控制端和監(jiān)測端。大棚內(nèi)的控制端以AT89C52為核心，通過無線模塊接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理后通過液晶顯示數(shù)據(jù)，并通過繼電器來控制外圍的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置。監(jiān)控端是由無線模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示在電腦屏幕上，用于觀測大棚內(nèi)的情況。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System architecture figure

1.1 采集小車的設(shè)計(jì)

采集小車是以AT89C52為核心，用紅外傳感器來檢測道路的信息，判斷小車當(dāng)前所在的位置，通過控制電機(jī)使小車沿著跑道上的黑線行走。當(dāng)小車到達(dá)設(shè)定的采集點(diǎn)時(shí)，就使溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器工作，將采集到的數(shù)據(jù)再通過無線模塊發(fā)送給控制端和監(jiān)控端。

1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

以L298N驅(qū)動(dòng)芯片為核心，搭建外圍電路來驅(qū)動(dòng)小車。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[2]。該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖2所示。

2）循跡模塊

循跡模塊使用紅外發(fā)射和接收管等分立元件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（加入遲滯電路），防止臨界輸出抖動(dòng)作為核心器件構(gòu)成中控電路。紅外線照到白線上時(shí)會(huì)反射大部分光，接收管能夠收到紅外光，而在黑線上時(shí)則全部被吸收，接收管則收不到。利用這個(gè)原理，小車就能沿著白色背景中間是黑線的道路上行走，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)行走。紅外對管的電路圖如圖3所示。小車的底盤上裝有四個(gè)TCRT5000紅外模塊，這樣小車就能夠通過識別哪些紅外接收管在黑線上，來判斷自己在道路上的位置，進(jìn)而對小車的行走方向進(jìn)行控制，如左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等，防止小車跑出道路。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路Fig. 2 Driver module circuit

圖3 紅外對管電路Fig. 3 Infrared tube circuit

3）溫度采集模塊

溫度采集模塊使用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器[3]，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同的是，使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，其能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度。同時(shí)，它可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供微機(jī)處理，接口簡單，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡單化。部分功能電路的集成，使總體硬件設(shè)計(jì)更簡潔，能有效地降低成本，搭建電路和焊接電路時(shí)更快，調(diào)試也更方便簡單化，這也就縮短了開發(fā)的周期[4]。

4）濕度采集模塊

濕度采集模塊采用DHT11數(shù)字濕度傳感器，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。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。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，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇[5]。

5）光照采集模塊

光照采集模塊采用GY-30數(shù)字式光照強(qiáng)度檢測模塊，該模塊采用ROHM原裝BH1750FVI芯片。其特點(diǎn)有：①IIC總線接口（f/s模式支持）；②光譜的范圍跟人眼相近；③照度數(shù)字傳感器；④50 Hz/60 Hz光噪聲抑制功能；⑤光源的依賴性不大；⑥無需任何外部元件；

6）無線模塊

無線模塊采用以NRF24L01芯片為核心。NRL24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的工作在2.4 ～ 2.5G Hz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或是一對六的無線通信，無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）[6]。

NRF24L01的功能框圖如圖4所示。從單片機(jī)控制的角度來看，我們只需要關(guān)注圖右邊的6個(gè)控制和數(shù)據(jù)信號，分別為CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。

1.2 控制端的設(shè)計(jì)

圖4 NRF24L01功能框圖Fig. 4 NRF24L01 functional block diagram

圖6 繼電器模塊電路Fig. 6 Relay module circuit

控制端由AT89C52單片機(jī)、繼電器、液晶顯示、按鍵、無線模塊等組成。單片機(jī)通過無線模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與用戶設(shè)置的光照、溫濕度值的范圍進(jìn)行比較，判斷大棚內(nèi)的環(huán)境是否滿足植物生長的需求，從而通過繼電器來控制燈、風(fēng)扇、水泵等設(shè)備來調(diào)節(jié)環(huán)境。液晶顯示模塊和按鍵可以很方便的設(shè)置光照、溫濕度值的范圍。控制端還有具有控制小車采集周期的功能，當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到了時(shí)，就給采集小車發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)命令，使小車開始新一輪的數(shù)據(jù)采集。

1）液晶模塊

液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用LCD1602，只能顯示字符和數(shù)字，不能顯示漢字，能顯示兩行，每行16個(gè)字符。圖5是LCD1602的引腳圖。

2）繼電器模塊

因?yàn)閱纹瑱C(jī)不能直接去驅(qū)動(dòng)燈，風(fēng)扇、水泵等負(fù)載，所以只有通過繼電器來間接的控制這些設(shè)備。圖6是繼電器模塊的電路圖。

圖5 LCD1602引腳圖Fig. 5 LCD1602 pin figure

1.3 監(jiān)控端的設(shè)計(jì)

監(jiān)控端由PC機(jī)、USB無線串口模塊、上位機(jī)3部分組成。無線模塊接收到數(shù)據(jù)后通過單片機(jī)的串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后在電腦上顯示出圖形。

1）USB無線串口模塊

圖7 STC11F02E引腳圖Fig. 7 STC11F02E pin diagram

圖8 上位機(jī)界面Fig. 8 Host computer interface

USB無線串口模塊由NRF24L01芯片、STC11F02E單片機(jī)、CH340 USB轉(zhuǎn)串口芯片構(gòu)成。STC11F02E是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成復(fù)位電路，針對高速通信，智能控制，強(qiáng)干擾的場合。圖7是STC11F02E的引腳圖。

2）上位機(jī)

上位機(jī)使用Labview來制作，可以很方便的直接使用軟件提供的串口通信模塊，以及圖形顯示模塊，容易制作，開發(fā)周期短。設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面如圖8所示。圖中可以分別顯示光照、濕度、溫度3條曲線，而且還可以選擇端口，以及對波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)、停止位的設(shè)置，適用范圍廣、方便靈活。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：采集小車的軟件設(shè)計(jì)、控制端的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 采集小車的軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖9所示，系統(tǒng)開始后，采集小車收到大棚控制端發(fā)出的開始指令后，開始行走，當(dāng)遇到采集點(diǎn)處的黑線時(shí)就停下來，溫濕度、光照傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并由無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制端和監(jiān)控端，同時(shí)定時(shí)器1來控制在每個(gè)采集點(diǎn)停留的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到了時(shí)，小車就繼續(xù)前進(jìn)，并停止發(fā)送數(shù)據(jù)。如果第7次檢測到黑線時(shí)（假設(shè)包括起始點(diǎn)在內(nèi)的黑線有7條），就停止運(yùn)行，一次采集完成，需等待控制端發(fā)送起始信號才再次開始工作。

圖9 采集小車流程圖Fig. 9 Car collection flowchart

2.2 控制端的軟件設(shè)計(jì)

控制端對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到光照值、溫度值、濕度值以及位置信息，然后在根據(jù)用戶設(shè)定的適合作物生長的光照、溫度、濕度值進(jìn)行比較。如果光照值不夠，就開啟燈，來補(bǔ)償光照；如果夠了的話，就關(guān)閉燈。如果濕度值大于設(shè)定值，就開啟風(fēng)扇，將濕氣吹出大棚；如果低于設(shè)定值，就開啟水泵給植物噴水，并由相應(yīng)的算法來確定吹風(fēng)和噴水的時(shí)間。控制端還要給小車發(fā)送起始信號，以及控制采集的周期，程序流程圖如圖10所示。

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

圖10 控制端程序流程圖Fig. 10 Control terminal program flow chart

將小車放在跑道的起始線處，然后在控制端設(shè)置好溫度值、濕度值、光照值和采集周期，隨后控制端與小車通過無線模塊建立通信，給小車發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)命令，小車收到后就開始行走，當(dāng)?shù)竭_(dá)采集點(diǎn)時(shí)就停止前進(jìn)，開始采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制端和監(jiān)控端，控制端對數(shù)據(jù)處理后對燈進(jìn)行控制，同時(shí)監(jiān)控端繪制3條曲線來分別顯示光照、溫度、濕度值。定時(shí)時(shí)間到后，小車?yán)^續(xù)行走直到下一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)小車走完一圈回到起始線處時(shí)，對測得的幾個(gè)采集的濕度值求平均值，如果濕度值高于設(shè)定值就啟動(dòng)風(fēng)扇，如果小于設(shè)定值就啟動(dòng)水泵。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在電腦上看到的上位機(jī)界面如圖11所示，可以看到3條曲線，從上到下依次是光照、濕度和溫度。

圖11 上位機(jī)實(shí)際運(yùn)行圖Fig. 11 Figure of the actual operation of the host computer

4 結(jié)束語

該監(jiān)控系統(tǒng)具有測量精度高、使用簡單、采集范圍廣、成本低、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大棚控制的全自動(dòng)化。

[1]余朝剛.溫室氣候環(huán)境微機(jī)測控系統(tǒng)與控制方法的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[2]靳桅，潘育山，鄔芝權(quán).單片機(jī)原理及C51開發(fā)技術(shù)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社, 2009.

[3]劉淼.基于DS18B20的溫度控制器設(shè)計(jì)[J].西安外事學(xué)院學(xué)報(bào), 2008(12): 92-94.

LIU Miao. DS18B20 based on the temperature controller[J].Journal of Xi'an International University, 2008 (12):92-94.

[4]薛燕紅.基于89C51+DS18B20的智能溫控器的研制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(7)：198-199.

XUE Yan-hong. Based on 89C51+DS18B20 warm controlling development[J]. Microcomputer Information, 2007, 23(7):198-199.

[5]王寶芹，范長勝，郭艷玲.基于單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與土木設(shè)備,2008，36(3):39-40.

WANG Bao-qin, FAN Chang-sheng, GUO Yan-ling. Design of SCM-based temperature and humidity control system for a greenhouse[J].Forestry Machinery &Woodworking Equipment,2008, 36(3):39-40.

[6]黃婷,施國梁,黃坤.單片機(jī)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微機(jī)處理, 2010,31(3): 27-31.

HUANG Ting, SHI Guo-linag, HUANG Kun. On the design and realization of a microcontroller-based wireless communication system[J].Microprocessors, 2010,31(3):27-31.