基于NRF24L01芯片的溫室無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 帆，李富善

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

設(shè)施農(nóng)業(yè)是世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型階段，設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國(guó)今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)［1］。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為重要的環(huán)節(jié)之一，一直受到各國(guó)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家和研究人員的高度重視［2］。溫室作為一種重要的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，過(guò)去常常以人工手段為農(nóng)作物創(chuàng)造適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，消耗的時(shí)間成本和人力成本較高，不利于資源的集約化利用［3］。采用傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)一套集監(jiān)控、管理于一體的智能溫室系統(tǒng)［4］，為解決農(nóng)業(yè)研究者面臨的困難提供了一種思路。而利用單片機(jī)技術(shù)和微機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)蔬菜大棚溫度、濕度控制網(wǎng)絡(luò)，以分布式聯(lián)片多個(gè)蔬菜大棚溫度、濕度控制或在一個(gè)蔬菜大棚內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度多點(diǎn)控制［5］的設(shè)計(jì)方法也被研究者深入探討。

但目前行業(yè)內(nèi)的研究都集中在控制溫室大棚內(nèi)的空氣的溫濕度、光照和二氧化碳濃度等，忽略了對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤濕度的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制，而作物的優(yōu)良生長(zhǎng)跟土壤的濕度有直接的聯(lián)系，只有控制好土壤濕度，才能有效提高作物的培育效率。為了節(jié)省人力成本，提高作物的培育效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于NRF24L01無(wú)線通信芯片的自動(dòng)控制系統(tǒng)［6］。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于充分利用NRF24L01芯片一對(duì)多的通信功能，通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程無(wú)線控制土壤濕度，同時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的光照強(qiáng)度、溫度和濕度變化，并實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)控制界面上。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)［7］，主要由上位機(jī)模塊、空氣信息監(jiān)測(cè)模塊和土壤濕度測(cè)控模塊組成。PC機(jī)、STC89C51單片機(jī)（以下稱(chēng)1號(hào)單片機(jī)）、NRF24L01無(wú)線通信芯片（以下稱(chēng)1號(hào)NRF）構(gòu)成上位機(jī)模塊；GY-30光照強(qiáng)度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、NRF24L01無(wú)線通信芯片（以下稱(chēng)2號(hào)NRF）和STC89C51單片機(jī)（以下稱(chēng)2號(hào)單片機(jī)）構(gòu)成空氣信息監(jiān)測(cè)模塊；YL-69土壤濕度傳感器、電磁閥、NRF24L01無(wú)線通信芯片（以下稱(chēng)3號(hào)NRF）和STC89C51單片機(jī)（以下稱(chēng)3號(hào)單片機(jī)）構(gòu)成土壤濕度測(cè)控模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of proposed system

系統(tǒng)的工作原理：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后在上位機(jī)界面上設(shè)定土壤濕度值，1號(hào)單片機(jī)通過(guò)1號(hào)NRF將設(shè)定的濕度值發(fā)送給3號(hào)NRF，3號(hào)單片機(jī)存儲(chǔ)濕度設(shè)定值并將采集到的實(shí)時(shí)濕度值發(fā)送給上位機(jī)模塊，之后通過(guò)對(duì)比接收到的土壤濕度設(shè)定值和實(shí)時(shí)采集到的土壤濕度值，控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，進(jìn)而達(dá)到控制土壤濕度的目的；同時(shí)2號(hào)單片機(jī)將采集到的空氣中的溫度、濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)整理后，經(jīng)2號(hào)NRF發(fā)送給上位機(jī)模塊；1號(hào)單片機(jī)整理接收自2號(hào)NRF和3號(hào)NRF的實(shí)時(shí)信息，并在控制界面上繪圖顯示變化情況。

1.2 系統(tǒng)通信方式

系統(tǒng)以3塊NRF24L01芯片作為通信核心，NRF24L01芯片是一種工作在2.4 GHz頻率下的單片無(wú)線收發(fā)器［8］，可按需配置為僅發(fā)射模式、僅接收模式和發(fā)射/接收模式。該芯片可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信，在本設(shè)計(jì)中采用一對(duì)二的通信方式，將3塊NRF芯片均配置為發(fā)射/接收模式，數(shù)據(jù)寬度均為8個(gè)字節(jié)，頻率均為1 MHz。1號(hào)NRF的通信頻道設(shè)為10和60，根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔在這2個(gè)頻道之間跳轉(zhuǎn)，2號(hào)NRF的通信頻道設(shè)為10，3號(hào)NRF的通信頻道設(shè)為60。當(dāng)1號(hào)NRF的通信頻道跳轉(zhuǎn)到10的時(shí)候，1號(hào)NRF與2號(hào)NRF進(jìn)行通信；當(dāng)1號(hào)NRF的通信頻道跳轉(zhuǎn)到60的時(shí)候，1號(hào)NRF與3號(hào)NRF進(jìn)行通信。

2 上位機(jī)模塊

2.1 上位機(jī)模塊硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)模塊中，1號(hào)單片機(jī)與PC機(jī)之間采用串行通信方式，單片機(jī)的P3.0/RXD引腳和P3.1/TXD引腳用串行數(shù)據(jù)線接到PC機(jī)的串口（圖2中PC端），用來(lái)給PC機(jī)發(fā)送接受自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自PC的控制指令。圖2為上位機(jī)模塊電路原理圖。

圖2 上位機(jī)模塊電路原理圖Fig.2 Schematics of host computer module

2.2 上位機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊具體實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：一是在控制界面上實(shí)時(shí)繪制空氣中的溫濕度和光照強(qiáng)度變化曲線；二是在控制界面上實(shí)施繪制溫室內(nèi)土壤濕度的變化曲線；三是在控制界面上設(shè)定土壤濕度值。1號(hào)單片機(jī)作為上位機(jī)模塊的數(shù)據(jù)處理核心，一方面通過(guò)1號(hào)NRF的不同頻道跟下位機(jī)的2個(gè)模塊通信，另一方面通過(guò)串口線與PC機(jī)交互。圖3為上位機(jī)模塊工作流程圖。

3 溫室空氣監(jiān)測(cè)模塊

圖3 上位機(jī)模塊工作流程圖Fig.3 Work flowchart of host computer module

3.1 溫室空氣監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

該監(jiān)測(cè)模塊中，2號(hào)NRF為通信核心，2號(hào)單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心，GY-30芯片和DHT11芯片組成數(shù)據(jù)采集核心。GY-30芯片是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感器［9］，與2號(hào)單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳相連，光照強(qiáng)度的采集范圍為 1～65 535 lx［10］，采集時(shí)間最大為 180 ms。GY-30傳感器的工作過(guò)程是：2號(hào)單片機(jī)向GY-30發(fā)送起始信號(hào)，接著向GY-30發(fā)送設(shè)備地址和寫(xiě)信號(hào)，發(fā)送完畢后等待GY-30應(yīng)答；之后2號(hào)單片機(jī)發(fā)送內(nèi)部寄存器地址，等待GY-30應(yīng)答，收到應(yīng)答信號(hào)后，讀取測(cè)量結(jié)果（結(jié)果為16位數(shù)據(jù)）之后2號(hào)單片機(jī)開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，采集過(guò)程結(jié)束。DHT11芯片是一種輸出數(shù)字信號(hào)的溫濕度一體化傳感器［11］，包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。該傳感器與2號(hào)單片機(jī)采用單總線進(jìn)行通信，與2號(hào)單片機(jī)的P0.7引腳相連。DHT11芯片測(cè)得的數(shù)據(jù)為40 Bit，在與單片機(jī)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)增加校驗(yàn)位。圖4為空氣監(jiān)測(cè)模塊的電路原理圖。其中P1端為DHT11芯片，P2端為GY-30芯片。

3.2 溫室空氣監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

空氣監(jiān)測(cè)模塊具體實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：一是收集空氣中的溫濕度信息，并將溫濕度數(shù)據(jù)整理后通過(guò)2號(hào)單片機(jī)發(fā)送給上位機(jī)模塊；二是收集空氣中的光照強(qiáng)度信息，并將光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)整理后經(jīng)2號(hào)NRF發(fā)送給上位機(jī)模塊。圖5所示為溫室空氣監(jiān)測(cè)模塊的工作流程圖。

圖4 空氣監(jiān)測(cè)模塊電路原理圖Fig.4 Schematics of air monitoring module

圖5 空氣監(jiān)測(cè)模塊工作流程圖Fig.5 Work flowchart of air monitoring module

4 溫室土壤濕度測(cè)控模塊

4.1 溫室土壤濕度測(cè)控模塊硬件設(shè)計(jì)

該模塊中，3號(hào)單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心，3號(hào)NRF為無(wú)線通信核心［12-13］，模塊通過(guò)YL-69芯片監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)土壤的濕度信息，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制水管內(nèi)水流的有無(wú)。YL-69芯片是一種用來(lái)測(cè)量土壤相對(duì)含水量的傳感器，該芯片有2個(gè)金屬插片插在土壤里，單位土壤含水量的變化會(huì)引起2塊插片之間的電阻值的變化，根據(jù)電阻的變化量求出電壓的變化量傳給單片機(jī)，從而監(jiān)測(cè)土壤濕度的變化情況。獲取土壤濕度信息的通道有2種：一是從YL-69傳感器的D0引腳，用于獲取濕度閾值狀態(tài)，通過(guò)3號(hào)單片機(jī)的P1.0引腳給單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，原理是，當(dāng)土壤濕度大于某個(gè)閾值，D0輸出0，否則輸出1；二是從YL-69傳感器的A0引腳，從該引腳獲取到的是模擬量，通過(guò)3號(hào)單片機(jī)的P0.0引腳給單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，用于獲取具體的濕度值。3號(hào)單片機(jī)通過(guò)P0.7引腳外加場(chǎng)效應(yīng)管IRF540驅(qū)動(dòng)電磁閥，IRF540是電壓?jiǎn)?dòng)型，3號(hào)單片機(jī)從P0.7引腳輸出一個(gè)低電平，三極管8550導(dǎo)通，使得IRF540的G極獲得一個(gè)5 V的電壓，IRF540導(dǎo)通，進(jìn)而打開(kāi)電磁閥開(kāi)關(guān)，水管中水流通過(guò)，開(kāi)始噴水。圖6為溫室土壤濕度測(cè)控模塊的電路原理圖，其中P1端為24 V電磁閥，P2端為YL-69土壤濕度傳感器，P3端為土壤濕度傳感器的金屬插片。

4.2 溫室土壤濕度測(cè)控模塊軟件設(shè)計(jì)

土壤濕度測(cè)控模塊具體實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：一是采集土壤濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)模塊；二是通過(guò)對(duì)比上位機(jī)模塊的濕度設(shè)定值和YL-69傳感器采集到的濕度值，以及上位機(jī)的控制指令決定電磁閥的通斷，進(jìn)而使土壤濕度滿足設(shè)定值。圖7為土壤濕度測(cè)控模塊的工作流程圖。

圖6 土壤濕度測(cè)控模塊電路原理圖Fig.6 Schematics of soil moisture measurement and control module

圖7 土壤濕度測(cè)控模塊工作流程圖Fig.7 Workflow chart of measurement and control module of soil moisture

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

5.1 上位機(jī)模塊實(shí)物連接

1號(hào)單片機(jī)和1號(hào)NRF組成上位機(jī)模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理單元，該單元用串行數(shù)據(jù)線連接到PC機(jī)上，將接收到的數(shù)據(jù)整理后傳送給PC機(jī)，同時(shí)將PC機(jī)的控制指令經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送給其他模塊。圖8為上位機(jī)模塊的實(shí)物連接圖。

圖8 上位機(jī)模塊實(shí)物連接圖Fig.8 Real object connection photo ofhost computer module

5.2 溫室空氣監(jiān)測(cè)模塊實(shí)物連接

空氣監(jiān)測(cè)模塊置于溫室空氣中，GY-30光照強(qiáng)度傳感器測(cè)量照射到溫室上的光照強(qiáng)度，DHT11芯片測(cè)量溫室內(nèi)空氣中的溫濕度，2號(hào)單片機(jī)和2號(hào)NRF處理監(jiān)測(cè)到的信息。圖9所示為空氣監(jiān)測(cè)模塊的實(shí)物圖。

圖9 空氣監(jiān)測(cè)模塊實(shí)物圖Fig.9 Real object photo of air monitoring module

5.3 土壤濕度測(cè)控模塊硬件安裝

土壤濕度檢測(cè)器和土壤濕度傳感器組成土壤濕度的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理單元，3號(hào)單片機(jī)通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)器控制電磁閥的狀態(tài)，3號(hào)NRF用以跟上位機(jī)模塊的無(wú)線通信。圖10為土壤濕度測(cè)控模塊的實(shí)物圖。

圖10 土壤濕度測(cè)控模塊實(shí)物圖Fig.10 Real object photo of measurement and control module of soil moisture

5.4 電磁閥安裝

系統(tǒng)的執(zhí)行器為旋轉(zhuǎn)水噴頭，工作原理是：在噴管上方的搖臂軸上設(shè)有偏流板和導(dǎo)流板，當(dāng)水從噴管的噴嘴中噴出時(shí)，經(jīng)偏流板沖擊導(dǎo)流板，使搖臂產(chǎn)生切向力繞懸臂回轉(zhuǎn)一角度，然后在扭力彈簧的作用下返回并撞擊噴管，使噴管轉(zhuǎn)一角度，如此反復(fù)進(jìn)行，噴頭即可做全圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，為了達(dá)到在作業(yè)范圍內(nèi)均勻噴灑的目的，在噴嘴處設(shè)置了網(wǎng)格。該噴管的噴灑半徑為2 m，即一個(gè)噴管可噴灑的面積大約為12 m2，按照溫室大小的不同增加（或減少）噴管的數(shù)目即可達(dá)到控制目的。電磁閥接到總水管上，當(dāng)電磁閥打開(kāi)時(shí)各噴管開(kāi)始噴灑，電磁閥關(guān)閉時(shí)各噴管停止噴灑。圖11為旋轉(zhuǎn)水噴頭和電磁閥的實(shí)物圖。

5.5 數(shù)據(jù)采集與分析

NRF24L01芯片總共有126個(gè)通信頻道［14］，但為了減少一對(duì)二通信時(shí)的干擾，將2號(hào)NRF的頻道設(shè)定為10，將3號(hào)NRF的通信頻道設(shè)定為60。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，在上位機(jī)模塊與溫室相距30 m內(nèi)，可有效獲取數(shù)據(jù)；2號(hào)NRF和3號(hào)NRF的距離超過(guò)3 m時(shí)干擾可忽略不計(jì)［15］。圖12為上位機(jī)控制界面。

圖11 水噴頭和電磁閥實(shí)物圖Fig.11 Real object photos of water nozzle and solenoid

圖12 上位機(jī)控制界面Fig.12 Control interface of host computer

在一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)，溫室中空氣的監(jiān)測(cè)結(jié)果和土壤濕度的監(jiān)測(cè)結(jié)果均可實(shí)時(shí)顯示；在此次實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，設(shè)定的土壤濕度值為60%，由圖12可以看出，土壤的濕度是在60%的周?chē)▌?dòng)，變化區(qū)間在45%～75%之間。由于誤差和延時(shí)不可避免，導(dǎo)致不同時(shí)段采集到的數(shù)據(jù)差異較大，比如在08：00-10：00的時(shí)段內(nèi)，水噴管持續(xù)噴水，致土壤濕度一度高達(dá)75%。但總體而言，系統(tǒng)能按照設(shè)定的目標(biāo)良好運(yùn)行，達(dá)到了測(cè)控的目的。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前業(yè)內(nèi)的研究大部分側(cè)重于僅對(duì)溫室內(nèi)空氣的溫濕度和光照強(qiáng)度的測(cè)控，本文側(cè)重于對(duì)溫室內(nèi)的土壤濕度的自動(dòng)控制，同時(shí)也實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣的變化情況，設(shè)計(jì)了一種以NRF24L01芯片為通信核心的溫室無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)。其創(chuàng)新點(diǎn)為：一是利用無(wú)線通訊的方式，極大的簡(jiǎn)化了控制方式；二是利用NRF24L01芯片一對(duì)多的通信功能，提高了測(cè)控效率。接下來(lái)還可以進(jìn)一步利用NRF24L01芯片的一對(duì)多通信方式，用一個(gè)PC機(jī)控制多個(gè)溫室大棚內(nèi)的物理指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)資源的集約化利用。