基于Wi-Fi的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

周正，梁春英，劉坤，石建飛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術(shù)學院，大慶163319）

基于Wi-Fi的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

周正，梁春英，劉坤，石建飛

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術(shù)學院，大慶163319）

為設(shè)計Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)?；趩纹瑱CMSP430G2553、傳感器電路和無線模塊等，通過上位機設(shè)定水稻浸種催芽種箱內(nèi)部溫度范圍，并實時顯示溫度，當測量值低于設(shè)定范圍下限或高于設(shè)定范圍上限時，系統(tǒng)啟動相應的子程序調(diào)節(jié)溫度，使溫度達到設(shè)定范圍，Wi-Fi模塊實現(xiàn)了單片機和上位機之間數(shù)據(jù)的無線傳輸。后期測試表明系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)、采集并實時顯示水稻浸種催芽種箱的內(nèi)部溫度，系統(tǒng)與實際人工測定溫度幾乎沒有差異，具有較強的穩(wěn)定性和可靠性。

Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)；單片機；水稻浸種催芽；溫度監(jiān)控

Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（如智能手機、平板電腦）等移動終端以無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)［1］。隨著無線通信、嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛的應用［2］。與藍牙、Zigbee技術(shù)相比，Wi-Fi技術(shù)具有建設(shè)便捷、覆蓋范圍廣、傳輸速度快和投資成本低等優(yōu)點［3］；與有線網(wǎng)絡(luò)相比，Wi-Fi最主要的優(yōu)勢就是無需布線，節(jié)省成本與空間。實際應用中，在無線網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋范圍內(nèi)，人們可以隨時隨地獲取數(shù)據(jù)，提高了工作的靈活性和效率。所以除了日常的民用，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、海洋開發(fā)和探索等領(lǐng)域，Wi-Fi技術(shù)都得到了廣泛的應用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將檢測控制設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，人們就可以用筆記本電腦、智能手機等移動終端對其進行監(jiān)視與控制。

催芽是水稻育苗過程中的重要環(huán)節(jié)，在水稻浸種催芽過程中需要對浸種催芽箱進行溫度控制，以滿足種子發(fā)芽的環(huán)境要求［4］。設(shè)計的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)，以Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，以單片機檢測與控制電路為核心，該系統(tǒng)的現(xiàn)場測量電路與上位機采用無線數(shù)據(jù)通信方式，可以通過多種終端隨時讀取到種箱內(nèi)部的實時環(huán)境參數(shù)，同時還可以對系統(tǒng)進行遠程控制。該系統(tǒng)具有實用性強、成本低、工作靈活等優(yōu)點，對于提高水稻浸種催芽的效率和質(zhì)量具有指導意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸框圖，利用Wi-Fi模塊，用戶通過智能手機（或其他智能移動終端）設(shè)定和接收水稻浸種催芽種箱內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)，監(jiān)控并實時顯示溫度。

水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、單片機電路和Wi-Fi模塊構(gòu)成，其總體設(shè)計框圖如圖2所示。溫度傳感器負責采集種箱內(nèi)部的溫度。單片機負責溫度測量電路和水位測量電路的數(shù)據(jù)分析和處理。如果測量溫度低于設(shè)定范圍下限，主控制器調(diào)用加熱子程序，對種箱內(nèi)部進行加熱；如果測量溫度高于設(shè)定范圍上限，主控制器調(diào)用注水子程序進行降溫。水位傳感器負責采集種箱內(nèi)部的水位，水位到達設(shè)定值上限則停止注水。Wi-Fi模塊實現(xiàn)單片機電路和上位機之間信號的控制和傳輸。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸框圖Fig.1Data transmission diagram

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.2Design of whole system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機

設(shè)計中單片機采用美國德州儀器公司生產(chǎn)的MCU（MSP430G2553），該芯片可處理混合信號，并擁有20個I/O引腳和一個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，CPU具有16位RISC架構(gòu)精簡指令集，MSP430G2553除程序流指令以外，均為寄存器操作與用于源操作數(shù)的7種尋址模式和用于目的操作數(shù)的4種尋址模式一起執(zhí)行［5］。該芯片有兩個內(nèi)置的16位定時器，支持UART、同步SPI和I2C通信的通用串行接口［6］，能夠在不到1 μs的時間里從待機模式切換到工作模式，支持JTAG仿真調(diào)試。MSP430G2553芯片具有6種操作模式，分別為激活模式（AM）和低功耗模式1～5（LPM1～5），通過控制CPU以及內(nèi)部時鐘和數(shù)字控制振蕩器，可以最大程度地降低芯片的功耗，其低功耗的特點得到了行業(yè)內(nèi)部的廣泛認可［7］。除此之外，芯片的I/O具有較強的外部中斷能力，并且每一個I/O都能夠進行獨立編程。MSP430G2553抗干擾能力強、可靠性強、功耗低，可使用C語言編程，這些特點為試驗設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)建立了良好的基礎(chǔ)。

2.2 無線Wi-Fi模塊

信號傳輸是水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)快速穩(wěn)定實時信息傳輸，采用Wi-Fi無線通信［8］。設(shè)計中Wi-Fi無線模塊采用有人科技有限公司生產(chǎn)的USR-WiFi232-T［9］。該模塊采用表貼封裝，內(nèi)置有PCB天線，外置有天線連接器，其工作頻率為2.412～2.484 GHz，工作電壓為2.8～3.6 V，正常工作溫度范圍為-40～+85℃，接收靈敏度為-85 dBm，內(nèi)置天線信號傳輸距離最大為150 m，外置天線信號傳輸距離最大為400 m。

USR-WiFi232-T的無線模塊既可以配置成一個無線站點（STA），也可以配置成無線接入點（AP）。采用基于AP的無線組網(wǎng)模式，智能手機（或其他智能移動終端）直接連接到AP接口，控制單片機進行通信，如圖3所示。

圖3 USR-WiFi232-T的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3USR-WiFi232-T network structure

USR-WiFi232-T模塊支持串口透明傳輸模式，可實現(xiàn)串口即插即用，降低了用戶使用的復雜程度。首次使用無線模塊時，用戶需通過電腦連接其AP接口，并用Web管理頁面配置。首先用PC的無線網(wǎng)卡連接USR-WiFi232-T，默認SSID為HF-LPT100，加入網(wǎng)絡(luò)后在IE瀏覽器地址輸入http：// 10.10.100.254，在無線終端設(shè)置項鍵入模塊需要連接的SSID和密碼。然后設(shè)置工作模式為AP模式，保存后重啟模塊。打開智能手機選擇TCP Client模式，點擊連接建立的TCP連接，這樣就可以進行遠程數(shù)據(jù)收發(fā)。

USR-WiFi232-T與單片機的連接電路如圖4所示，單片機的P1.1（RXD）腳直接和USR-WiFi232-T模塊的RX腳相連，P1.2（TXD）腳直接和USRWiFi232-T模塊的TX腳相連，單片機的RST腳直接和USR-WiFi232-T模塊的nReload腳相連，USRWIFI-T模塊的GND腳接地，Vcc腳接+3.3 V的電源，其他管腳不用懸空。

圖4 Wi-Fi模塊電路圖Fig.4Wi-Fi module circuit

2.3 溫度傳感器

設(shè)計中溫度傳感器采用美國DALLAS半導體公司推出的DS18B20智能溫度傳感器。DS18B20的信息僅需要一根口線讀寫，數(shù)據(jù)總線本身可以向所掛接的DS18B20供電，無需外接電源，因而具有結(jié)構(gòu)簡單可靠性強的優(yōu)點。測溫范圍為-55～+125℃，固有測溫分辨率為0.5℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，測溫誤差在0.5℃之內(nèi)。支持多點的組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。研究選用3腳PR35封裝的DS18B20，VDD和GND為電源引腳，I/O為數(shù)據(jù)輸入輸出端，用于單片機與溫度傳感器之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，單片機將數(shù)據(jù)處理后，數(shù)字信號以串行通信方式傳給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊把數(shù)據(jù)傳至上位機進行顯示或報警。DS18B20與單片機的連接電路如圖5所示。

圖5 溫度傳感器電路圖Fig.5Temperature sensor circuit

2.4 水位傳感器

設(shè)計中水位傳感器采用佛山市順德區(qū)寶智電子科技有限公司生產(chǎn)的BZ2401D電子式水位開關(guān)。BZ2401D水位傳感器的工作電壓為5 V，工作溫度為-20～+60℃，判斷有水時輸出高電平，無水時輸出低電平，VDD和GND為電源引腳，DATA用于單片機I/O口相連。其電路接口圖與溫度傳感器相似。

圖6 水位調(diào)節(jié)電路Fig.6Water level control circuit

2.5 水位調(diào)節(jié)與溫度調(diào)節(jié)電路

水位調(diào)節(jié)與溫度調(diào)節(jié)電路連接在單片機的P2.0和P2.1口上，如圖6和圖7所示。當種箱內(nèi)溫度高于設(shè)定范圍上限時，P2.0發(fā)出控制信號，繼電器1接通，將開關(guān)吸合，電動機驅(qū)動系統(tǒng)的水位調(diào)節(jié)設(shè)備，水位傳感器負責采集種箱內(nèi)部的水位，水位到達設(shè)定水位上限則停止注水；當種箱內(nèi)溫度低于設(shè)定范圍下限時，P2.1發(fā)出控制信號，繼電器2接通，將開關(guān)吸合，驅(qū)動系統(tǒng)的加熱設(shè)備。

圖7 溫度調(diào)節(jié)電路Fig.7Temperature regulation circui

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示，系統(tǒng)軟件主要由初始化子程序、注水子程序、溫度設(shè)定子程序和溫度控制子程序構(gòu)成。初始化子程序后，系統(tǒng)將判斷單片機控制端口、D/A轉(zhuǎn)換芯片、顯示屏、串口寄存器和系統(tǒng)中各個標志位是否響應，如不響應，則返回重新進行初始化子程序。水稻浸種催芽不同階段對溫度的要求不同，因此系統(tǒng)設(shè)計中采用了允許在主程序中直接進入溫度設(shè)定子程序的方式，實現(xiàn)對溫度范圍上限和下限的設(shè)定。

圖8 系統(tǒng)主程序流圖Fig.8Main program flowchart

3.2 溫度控制子程序流程圖

溫度控制子程序流程圖如圖9所示，其作用是控制種箱內(nèi)的水溫，使水溫總是保持在設(shè)定范圍內(nèi)。運行程序后，系統(tǒng)測量和顯示種箱內(nèi)部溫度，如果測量在設(shè)定范圍內(nèi)，則繼續(xù)測量監(jiān)控種箱內(nèi)部溫度；如果測量溫度高于或低于設(shè)定范圍的上限或下限，則主控制器調(diào)用相應的注水或升溫子程序，對種箱內(nèi)部進行降溫或升溫控制。

3.3 初始化、注水和溫度設(shè)定子程序

初始化子程序的作用是對單片機控制端口、D/A轉(zhuǎn)換芯片、顯示屏、串口寄存器和系統(tǒng)中各個標志位進行初始化。注水子程序的作用是在測量值高于設(shè)定值時，計算注入冷水的流量，電動閥控制端口輸出控制信號，啟動注水泵，當溫度到達設(shè)定值時關(guān)閉注水泵，同時監(jiān)控種箱內(nèi)的水位變化。溫度設(shè)定子程序的作用是設(shè)定種箱內(nèi)的溫度，并且可以通過Wi-Fi模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機實時顯示溫度。

圖9 溫度控制子程序流程圖Fig.9Temperature control subprogram flowchart

4 測試結(jié)果與分析

選取龍粳36水稻為測試材料，將其水平間距分別設(shè)定為0 cm和10 cm，垂直高度設(shè)定為90 cm，利用此方法設(shè)計的基于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)和實際人工測溫方法，分別測定種袋層溫度。4月9日的測量結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 水平間距0 cm垂直高度90 cm測量溫度的比較Fig.10Comparison of temperature between horizontal distance 0 cm and vertical distance 90 cm

圖10表示水平間距設(shè)定為0 cm，垂直高度設(shè)定為90 cm，人工測定溫度與設(shè)計的Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)所測溫度的比較，一天內(nèi)，人工測定溫度的范圍在27.8～32.9℃，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)測定溫度的范圍在27.8～33.0℃，且在該天中，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)測定溫度與人工測定溫度偏差最大出現(xiàn)在A處，溫度偏差為0.3℃，在其余采樣時間里，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)與實際人工測定溫度幾乎沒有差異。

圖11 水平間距10 cm垂直高度90 cm測量溫度的比較Fig.11Comparison of temperature between horizontal distance 10 cm and vertical distance 90 cm

圖11表示水平間距設(shè)定為10 cm，垂直高度設(shè)定為90 cm，人工測定溫度與此設(shè)計的Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)所測溫度的比較，一天內(nèi)，人工測定溫度的范圍在33.1～35.7℃，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)測定溫度的范圍在33.0～36.0℃，且在該天中，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)測定溫度與人工測定溫度偏差最大出現(xiàn)在B處，溫度偏差為0.4℃，在其余采樣時間里，Wi-Fi溫度監(jiān)控系統(tǒng)與實際人工測定溫度幾乎沒有差異。

通過圖10、圖11，可以看出Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)有較強可靠性和實時性。

5 結(jié)論

設(shè)計了基于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的水稻浸種催芽溫度監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過后期測試表明系統(tǒng)能夠自動控制、采集并實時顯示水稻浸種催芽種箱的內(nèi)部溫度，具有較強的可靠性和穩(wěn)定性。無線Wi-Fi模塊能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，節(jié)省布線的成本，并且可以提高監(jiān)控的靈活性。系統(tǒng)的后期優(yōu)化還可以在現(xiàn)場安裝攝像裝置，通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場畫面的實時觀測。該系統(tǒng)具有較強的可靠性和實時性等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域具有較好的推廣價值和應用前景。

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Rice Presoaking Germination Temperature Monitor System Based on Wi-Fi Technology

Zhou Zheng，Liang Chunying，Liu Kun，Shi Jianfei（College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The rice presoaking germination temperature monitor system was designed based on Wi-Fi technology.Based on SCM MSP430G2553，sensor circuit and Wi-Fi module，temperature of rice presoaking germination cabinet was set by upper computer and displayed on screen.When temperature higher or lower than the set value，corresponding subroutine would be started.Wi-Fi module was employed to transmit information between SCM and upper computer wirelessly.Test results showed that the system could capture and display digital information of the cabinet in real time，and the measured temperature match the manual measurement，which had a strong stability and reliability.

Wi-Fi wireless network；SCM；rice presoaking germination；temperature monitor

S24；S126

A

1002-2090（2016）04-0105-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.023

2016-05-06

黑龍江農(nóng)墾總局公關(guān)項目（HNK125B-04-10）。

周正（1989-），女，助教，東北林業(yè)大學畢業(yè)，現(xiàn)主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化方面的教學與研究工作。

梁春英，女，教授，碩士研究生導師，E-mail：ndliangchunying@163.com。