基于物聯(lián)網的溫室智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

朱浩博， 劉子馨， 董玉華

(大連民族大學 信息與通信工程學院， 遼寧 大連 116600)

0 引 言

中國是一個農業(yè)生產大國，隨著近年來生產水平和科技水平的進步，溫室被獲得普遍的應用。但目前國內溫室普遍存在著管理不到位、測控精度低、實時性差、智能化程度低等問題，導致了生產效率不高、生產質量良莠不齊的狀況。因此，以溫室的自動監(jiān)測、智能調控為主要目標的農業(yè)物聯(lián)網成為目前需求最為迫切的領域之一。

農作物的生產與生長地域的溫度密不可分。因此要通過合理的溫度調控來為作物提供最佳的生長環(huán)境[2]。隨著近年來物聯(lián)網技術的進步，讓物聯(lián)網技術與智能農業(yè)的結合成為可能。本設計主要結合物聯(lián)網技術實現了農作物溫室的智能監(jiān)測與遠程調控，為智能農業(yè)的應用奠定了基礎。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)總體組成分為節(jié)點采集模塊、中央控制模塊和無線傳輸模塊[1]。利用物聯(lián)網技術結合這3部分實現了對各個采集點的監(jiān)測與智能調控。溫度傳感器采用PT100，傳感器輸出信號經調理電路送至模數轉換器，利用51單片機將獲得的溫度值通過無線通信系統(tǒng)傳輸到中央控制模塊。中央控制模塊分析接收到的數據，并將溫度的計算數值顯示在液晶屏上，當實時溫度超過限制范圍時，啟動聲光報警，并反饋至節(jié)點模塊，對環(huán)境溫度的智能調控。溫室的智能監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 節(jié)點采集模塊

節(jié)點采集模塊放置于溫室中的檢測點。主要負責采集溫室內各監(jiān)測節(jié)點的溫度值，并將數據通過無線傳輸模塊發(fā)送至遠程的中央控制模塊進行處理。節(jié)點采集模塊的電路如圖2所示。在本設計中單片機選擇的是STC89C52RC，此單片機成本低、功耗小、性能強，支持串口下載程序。

圖1 溫室監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

圖2 節(jié)點采集模塊的電路原理圖

1.2 溫度采集電路

本設計采用PT100鉑熱電阻作為節(jié)點采集模塊的溫度傳感器，PT100的特點是高精確度、強抗振性，并且有強耐壓性、穩(wěn)定性，以及產品壽命長等優(yōu)點。PT100溫度的測量范圍為-200℃～800℃，滿足溫室所需的溫度測量范圍[3]。前置放大芯片選擇LM324。模數轉換選擇ADC0832，因其具有高性價比、強兼容性等優(yōu)點得到廣泛應用[4]。

1.3 無線傳輸電路

本設計的數據傳輸模塊選擇的是NRF24L01，因其具有體積小、低功耗的優(yōu)點。工作在2.4～2.5 GHz，具有2 Mbps的數據傳輸速率，該芯片被廣泛應用于管理系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)中，并且滿足溫室的無線傳輸需求[5]。

1.4 中央控制模塊

中央控制模塊主要負責處理檢測節(jié)點采集的數據，并且根據處理結果進行顯示和反饋控制。當檢測的環(huán)境溫度與預定的溫度值相比較過高或者過低時，將控制信息反饋至節(jié)點，利用繼電器控制風扇等設備的開關。中央控制模塊的電路如圖3所示。本模塊中也選擇STC89C52單片機控制，其無線通信電路與節(jié)點采集模塊相同。

圖3 中央控制模塊的電路原理圖

在農業(yè)生產中，不同的植物生長的溫度上下限也不同，因此使用按鍵模塊來實現手動調節(jié)溫度的上下限。當溫室內溫度過高或者過低時，通過蜂鳴器和發(fā)光二極管實現聲光報警[6]。本系統(tǒng)顯示采用LCD1602，需要用到讀出上下限溫度和當前溫度的功能，通過單片機的解析，將信息發(fā)送至液晶屏完成顯示。采用繼電器來對溫控裝置進行啟動和關閉。

2 系統(tǒng)軟件程序設計

2.1 節(jié)點采集模塊程序設計

本系統(tǒng)中包含多個節(jié)點采集模塊，主要功能是實現溫室各個測量點的溫度采集和傳輸。溫度傳感器輸出接至調理電路，送至模數轉換器，單片機一方面對采集到的電壓值進行處理，轉換為溫度值送至中央控制模塊，另一方面隨時接收中央控制模塊發(fā)送來的控制信息，并進行信息的類型執(zhí)行相應的操作。節(jié)點采集模塊流程如圖4所示。

2.2 中央控制模塊程序設計

中央控制模塊的主要功能是接收各個采集節(jié)點獲得的數據，數據經處理后，將溫度顯示在LCD上。按鍵實現各個檢測點的溫度上下限設置，在按鍵控制部分采用了中斷方式實現，提升了響應速率。當設置按鈕被點擊，LCD上會顯示溫度的上下限，并且可以通過點擊加、減按鈕對報警范圍進行調整。每隔一段時間會對溫室的當前溫度進行監(jiān)測，并且對于溫度的數值進行判斷，如果溫度超出限定范圍，那么啟動聲光報警模塊，并利用無線通信技術實現遠程智能溫控。其系統(tǒng)總流程如圖5所示。

圖4 節(jié)點采集模塊流程圖

圖5 中央控制模塊流程圖

3 結束語

本文提出了一種溫室智能監(jiān)測與調控方案，將STC89C52RC單片機、NRF24L01無線發(fā)射模塊、PT100溫度模塊以及控制模塊結合在一起，實現了溫室的智能監(jiān)測。在溫室中使用本系統(tǒng)，減少了節(jié)點功耗，提高了數據監(jiān)測的精確性，并且由于使用無線傳輸，擴大了覆蓋區(qū)域，提高了通信效率和可靠度。為當前的溫室大棚監(jiān)測與調控提供了一種成本低廉的解決方案，為智慧農業(yè)的普及打下了基礎，具有一定的推廣價值。