基于無線傳感技術(shù)的分布式溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

劉永健，何業(yè)洋，李艷宇，任佳豪，王勇

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

“農(nóng)業(yè)不舉，百業(yè)不興”，作為中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)的重要性不言而喻。改革開放以來，科技推動(dòng)著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，如何在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上提升農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，提高生產(chǎn)效率是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的主要問題。設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的前提，設(shè)施農(nóng)業(yè)是指利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法在環(huán)境條件可調(diào)節(jié)控制的半封閉設(shè)施中進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的手段。智能溫室群作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植中，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的途徑之一。先進(jìn)的技術(shù)使溫室種植打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在空間和時(shí)間上的限制，提高了資源利用率，節(jié)約了種植成本[1]。

針對國家對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，我們設(shè)計(jì)了一種集自動(dòng)檢測、通信、控制、報(bào)警于一身的溫室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過MCU的連接與控制，將各種傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯示屏上，并通過無線通信傳送至上位機(jī)，以便人們進(jìn)行實(shí)時(shí)查看。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)有相應(yīng)紅色指示燈亮、蜂鳴器報(bào)警以及手機(jī)短信通知，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理環(huán)境的不規(guī)則變化并有效遏制變化因素對農(nóng)作物的不利影響。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了5個(gè)位于溫室中不同位置的采樣點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用MK60FX512VLQ15為控制核心的單片機(jī)作為控制器，采用DHT11傳感器采集空氣溫濕度，濕度傳感器采集土壤濕度,CO2濃度傳感器測量空氣中的CO2濃度，硅光電池采集光照強(qiáng)度，每隔5 min對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行一次采集并顯示在液晶屏上。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過設(shè)定閾值，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的紅色指示燈亮，蜂鳴器響，手機(jī)短信進(jìn)行通知。系統(tǒng)還通過繼電器控制光源強(qiáng)度、風(fēng)扇、灑水裝置和CO2產(chǎn)生裝置。同時(shí)，系統(tǒng)利用NRF24L01無線模塊，將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)上顯示，以實(shí)現(xiàn)溫室空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度的報(bào)警及控制，并能靈活根據(jù)用戶設(shè)置的環(huán)境條件要求進(jìn)行溫室內(nèi)相關(guān)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示(圖為其中一個(gè)節(jié)點(diǎn))。

圖1 系統(tǒng)總體分布方案

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

2.1 主控制器

主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送等。為了達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)的要求，選用MK60FX512VLQ15單片機(jī)作為主控制器。MK60FX512VLQ15單片機(jī)以高性能的32位嵌入式RISC處理器ARM Cortex-M4為內(nèi)核。該內(nèi)核具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，具有快速中斷響應(yīng)能力，系統(tǒng)頻率高達(dá)150 MHz，晶振頻率高達(dá)50 MHz，能很好地滿足系統(tǒng)對處理器的要求[2]。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)采用飛思卡爾可充電電池(7.2 V)供電，通過降壓穩(wěn)壓模塊LM2596S降壓至5 V和3.3 V給各功能模塊供電。為防止供電電流不足，分為兩路供電，兩路降壓穩(wěn)壓，以確保每部分都能正常工作?？刂茊卧ㄟ^繼電器與220 V交流電相連，實(shí)現(xiàn)低壓控制高壓操作，避免危險(xiǎn)發(fā)生。電源模塊示意圖如圖2所示。

2.3 環(huán)境參數(shù)采集

2.3.1 空氣溫濕度采集

DHT11溫濕度傳感器采用串行單線雙向接口，體積小，功耗低，此傳感器為4針單排引腳封裝，引腳說明見表1。該傳感器與MCU的接線方式如圖3所示[3]。

MCU的I/O與DHT11的DATA引腳相連。I/O輸出并保持一定時(shí)間(>18 ms)的低電平后,自動(dòng)變成輸入狀態(tài)，由于上拉電阻，I/O口與DATA數(shù)據(jù)線同時(shí)變?yōu)楦唠娖剑却鼶HT11的響應(yīng)信號。當(dāng)MCU通過I/O檢測到DHT11為低電平(響應(yīng)信號)后，等待DHT11發(fā)送數(shù)據(jù)。MCU根據(jù)I/O電平變化接收40位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送完成后，DHT11的DATA引腳輸出低電平，然后自動(dòng)變成輸入狀態(tài)，上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?，等待下一個(gè)外部信號的到來。數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖4所示。

通過DHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果啟動(dòng)報(bào)警模塊?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

圖2 電源模塊示意圖

表1 DHT11引腳說明

圖3 空氣溫濕度傳感器模塊連接原理圖

圖4 數(shù)據(jù)時(shí)序圖

圖5 DHT11軟件控制流程圖

2.3.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是一個(gè)簡易的水分傳感器，可用于檢測土壤的水分，控制土壤的濕度。它通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閾值，濕度低于設(shè)定值時(shí)，DO輸出高電平,高于設(shè)定值時(shí)DO輸出低電平。它內(nèi)部采用LM393芯片，可使其工作更加穩(wěn)定。其引腳說明見表2。

設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)字量輸出DO可以與MCU直接相連，通過MCU的I/O口來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度；模擬量輸出AO和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。

2.3.3 CO2濃度傳感器

CO2濃度傳感器主要由LM393芯片和MG811二氧化碳?xì)怏w感應(yīng)探頭組成。雙路信號輸出，分別TTL 電平輸出的有效信號為低電平(當(dāng)為模擬量信號輸出及TTL高低電平信號輸出，模擬量輸出電壓0～2 V，濃度越低輸出電壓越高。其引腳說明見表3。

表2 土壤濕度傳感器引腳說明

表3 CO2濃度傳感器引腳說明

檢測氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，輸出低電平信號，紅色指示燈亮，該口可直接接MCU的 I/O口)。模擬量輸出口AOUT和MCU直接相連，通過自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊，可以獲得更精確的CO2濃度數(shù)值。

2.3.4 土壤濕度與空氣中的CO2采集

將模擬量輸出信號口接到一個(gè)I/O口上，將模擬信號傳給MCU，通過MCU自身所帶的ADC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為得到更準(zhǔn)確的土壤濕度和空氣中的CO2濃度數(shù)據(jù)，在軟件程序上采用平均值濾波，按十位精度采集兩路AD數(shù)據(jù)，然后每路舍棄最值，再各取平均值得到最終數(shù)據(jù)。具體的軟件控制如下。

for(i=0;i<2;i++)

{

k = 0;

max=AD[i][0];

min=AD[i][0];

for(j=0;j<10;j++)

{

if(AD[i][j]>max)

max=AD[i][j];

if(AD[i][j]

min=AD[i][j];

k+=AD[i][j];

}

AD[i][9]=(k-max-min)/(8);

}

G_AD_WATER =AD[0][9];

G_AD_CO2=AD[1][9];}

程序中G_AD_WATER為采集的土壤濕度數(shù)據(jù)，G_AD_CO2為采集的CO2濃度數(shù)據(jù)。

將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，一旦出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)比設(shè)定閾值大的情況，則報(bào)警模塊啟動(dòng)。具體的軟件控制流程如圖6所示。

圖6 傳感器軟件控制流程圖

2.3.5 光照強(qiáng)度檢測

常見的光照強(qiáng)度檢測一般采用光電二極管或硅光電池。

光電二極管感光面積太小，靈敏度較低，響應(yīng)時(shí)間較長，而硅光電池感光面積大，壽命長，性能穩(wěn)定，光照強(qiáng)度和光電流線性特性很好。因此，本文選擇硅光電池作為光照強(qiáng)度檢測元件。

因?yàn)楣韫怆姵馗鶕?jù)光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱相應(yīng)產(chǎn)生大小電流，所以選擇一個(gè)1 kΩ電阻與其串聯(lián)，將電流特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷禾匦裕@樣在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換交由單片機(jī)處理。

2.4 短信通知

SIM900A是一個(gè)專門為中國大陸市場設(shè)計(jì)的2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令使用戶能方便使用TCP/IP協(xié)議，這在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方向的應(yīng)用時(shí)非常有用。

在本系統(tǒng)中，短信模塊SIM900A作為用戶(手機(jī))與系統(tǒng)的連接橋梁，通過串行接口與MCU相連[4]，用戶(手機(jī))與系統(tǒng)連接示意圖如圖7所示，SIM900A與MCU連接示意圖如圖8所示。

圖7 用戶(手機(jī))與系統(tǒng)的連接示意圖

圖8 SIM900A與MCU連接示意圖

當(dāng)環(huán)境采集模塊采集的參數(shù)超過預(yù)定閾值，通過MK60FX512VLQ15芯片控制SIM900A模塊發(fā)送短信給事先設(shè)置好的聯(lián)系人進(jìn)行通知。

2.5 液晶顯示

選用的液晶LCD顯示屏色彩真，而且面積足夠大，能充分顯示出處理的數(shù)據(jù)。

顯示屏用于顯示溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)的設(shè)定閾值以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息，方便用戶觀察數(shù)據(jù)。具體的軟件控制如下(以空氣溫度數(shù)據(jù)顯示為例)。

LCD_FStr_CH(site_tem1, up_down[0], BLUE, WHITE);//顯示“溫”漢字

LCD_FStr_CH(site_tem2, up_down[1], BLUE, WHITE);//顯示“度”漢字

LCD_str(site_tem3, ″=″ , BLUE, WHITE);

LCD_float(site_tem4, F16T, BLUE, WHITE);//空氣溫度數(shù)據(jù)顯示

程序中LCD_FStr_CH()為漢字顯示函數(shù)，LCD_float()為浮點(diǎn)數(shù)顯示函數(shù)，LCD_str()為字符串顯示函數(shù)，site_tem1、site_tem2、site_tem3、site_tem4為坐標(biāo)信息，up_down[0]、up_down[1]為漢字對應(yīng)的點(diǎn)陣，BLUE(藍(lán)色)、WHITE(白色)為漢字顯示的顏色，F(xiàn)16T為采集的空氣溫度數(shù)據(jù)。

2.6 無線通信

NRF24L01共有8個(gè)引腳，分別是IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE、VCC、GND。其中：IRQ是外部中斷引腳；VCC是3.3 V供電腳(需要用LM2596S降壓到3.3 V)；其余為控制和數(shù)據(jù)傳輸引腳[5]。NRF24L01主要通過SPI接口與MCU通信。

NRF24L01具有6個(gè)通道(通道0至通道5)可以傳輸數(shù)據(jù)，因此，設(shè)置5個(gè)采集點(diǎn)，各安裝1個(gè)NRF24L01，另外在上位機(jī)處也放置1個(gè)NRF24L01，用于隨時(shí)接收數(shù)據(jù)，通過串口反饋給上位機(jī)。

SPI通信工作在讀狀態(tài)時(shí)，CSN變低, 從機(jī)在主機(jī)SCK的頻率下開始傳輸數(shù)據(jù)。主機(jī)MOSI引腳開始發(fā)送8 bit的SPI讀命令字，同時(shí)從機(jī)通過MISO引腳將自己所處的狀態(tài)傳輸給主機(jī)的STATUS寄存器，當(dāng)狀態(tài)位發(fā)送完畢后，主機(jī)開始讀取在MISO數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)。SPI通信讀操作時(shí)序圖如圖9所示。

SPI通信中，可以一次讀取或?qū)懭攵鄠€(gè)字節(jié)，順序?yàn)榈妥止?jié)在前，高字節(jié)在后，每個(gè)字節(jié)是高位在前，低位在后。

圖9 SPI通信讀操作時(shí)序圖

3 控制方案

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、硅光電池采集相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，通過液晶屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并通過無線通信傳輸至上位機(jī)。環(huán)境參數(shù)至少有一種出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生控制信號，一方面啟動(dòng)報(bào)警模塊和短信模塊，蜂鳴器響，紅色指示燈亮，手機(jī)短信通知；另一方面使對應(yīng)繼電器所在的220 V交流電支路導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)終端負(fù)反饋控制：調(diào)控光源強(qiáng)度、灑水裝置、CO2產(chǎn)生裝置、風(fēng)扇等。控制方案具體流程如圖10所示。

圖10 控制方案流程圖

3.1 分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

將5個(gè)采樣裝置分別放置在溫室的4個(gè)角以及中心點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)具有圖1所示的各個(gè)要素，能夠監(jiān)測到封閉溫室范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

每個(gè)采樣點(diǎn)的基本單元為分布在中心位置的報(bào)警模塊、液晶屏、短信模塊以及分布在4個(gè)角的溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、硅光電池。這樣的分布安排可以保證每個(gè)采樣點(diǎn)的周圍環(huán)境參數(shù)采集的準(zhǔn)確性，提高應(yīng)對局部異常情況的快速反應(yīng)能力。

從局部到整體，通過各個(gè)傳感器的相互聯(lián)系與影響構(gòu)成了分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.2 各傳感器的功能結(jié)構(gòu)

各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)輸出口與MK60FX512VLQ15微處理器的眾多I/O口連接,MCU從采集傳感器處獲得各個(gè)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，其他傳感器通過接收MCU的指令完成相應(yīng)的報(bào)警、通知用戶、發(fā)送數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)等功能。各傳感器之間必須保證互不干擾。

3.3 無線通信傳輸采集數(shù)據(jù)

MCU將獲得的各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)串行存儲(chǔ)到各個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)數(shù)組中，按照軟件設(shè)置的發(fā)送順序，SPI通信將數(shù)據(jù)傳送給NRF24L01，再通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)。工作人員能夠?qū)崟r(shí)方便地通過上位機(jī)看到各個(gè)采樣點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)。

3.4 閾值判定及其影響

將每次采集到的數(shù)據(jù)在MCU內(nèi)部先通過軟件與剛開始設(shè)置好的各參數(shù)的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果分兩種情況：

第一種情況：當(dāng)某一數(shù)據(jù)超過閾值，根據(jù)相應(yīng)的單片機(jī)的控制信號，各個(gè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋?zhàn)饔?。MCU會(huì)根據(jù)支路發(fā)出的控制信號(高低電平)，觸發(fā)相應(yīng)硬件連接線路上的繼電器變成通路，繼而通過自動(dòng)控制過程產(chǎn)生負(fù)反饋。同時(shí)，報(bào)警模塊和短信模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，及時(shí)通知工作人員。

第二種情況：如果數(shù)據(jù)都未超過閾值，則一切運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4 系統(tǒng)工作性能與運(yùn)行效果分析

測試一：液晶顯示屏數(shù)據(jù)顯示。查看液晶顯示屏，能夠看見溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)的設(shè)定閾值及其相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，并且人為地改變環(huán)境參數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)往正確的趨勢變化。

測試二：上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示。上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)顯示環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，人為改變環(huán)境參數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)也在變化。

測試三：環(huán)境參數(shù)異常。運(yùn)用控制變量法，人為地控制某單一采集數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值。紅色指示燈亮，蜂鳴器響，報(bào)警模塊正常工作；用戶手機(jī)收到報(bào)警短信，短信模塊正常工作。控制單元中的每個(gè)環(huán)境參數(shù)對應(yīng)的模型交流燈泡亮(代表實(shí)際的工作模型)。

如上所述，本文設(shè)計(jì)的所有功能均能實(shí)現(xiàn)，且工作穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期效果。

5 系統(tǒng)特色

每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)液晶顯示屏,這樣方便人員實(shí)時(shí)監(jiān)控和了解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體情況。5個(gè)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間全部是通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，避免了布線的麻煩，同時(shí)減少了工作量與應(yīng)用成本。主機(jī)采集到5個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)之后，通過串口通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控,管理人員只要坐在上位機(jī)前就能知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)參數(shù)。本系統(tǒng)成本低,具有推廣價(jià)值和廣闊的市場應(yīng)用前景。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)下熱門的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)的架設(shè)，構(gòu)成一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的溫室環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，對環(huán)境變化敏銳，當(dāng)溫室環(huán)境異常時(shí)，控制器可有效打開相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于溫室管理人員，本系統(tǒng)有效減輕了其工作量。此外，傳統(tǒng)人工對溫室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的方式具有明顯的滯后性，無法在環(huán)境變化的第一時(shí)間做出及時(shí)處理，從而造成一些不必要的經(jīng)濟(jì)損失。本系統(tǒng)可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，用戶可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)，做到環(huán)境變化實(shí)時(shí)跟蹤，有效避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此本系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值。