大棚溫濕度無線控制系統(tǒng)設計

王 凱，劉子杰

(1.上海出版印刷高等?？茖W校信息與智能工程系，上海 200093；2.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

0 引言

農業(yè)設施在世界現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展中扮演著重要的角色。大棚是其中一項重要的農業(yè)基礎設施。因此，采用單片機和傳感器設計1套集檢測和控制于一體的智能大棚系統(tǒng)[1-3]迫在眉睫。

近年來，在大棚環(huán)境參數(shù)的檢測與控制方面已經出現(xiàn)了不少科研成果，例如基于單片機的多點溫度檢測控制系統(tǒng)[4]、基于單片機的單點溫度遠程控制系統(tǒng)[5]、基于USB串口的多路溫度檢測系統(tǒng)[6]。其中：大多數(shù)的參數(shù)還是采用有線檢測[4-9]；即使有無線檢測，也基本上是單路檢測，不適用于布線麻煩或者不能布線的場合。針對上述問題，本文設計了1個大棚溫濕度無線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以nRF24L01芯片為通信核心，使用5塊nRF24L01芯片進行一對四的無線通信。

1 系統(tǒng)方案設計

本文設計的大棚溫濕度無線控制系統(tǒng)由主機和從機2個部分組成：從機的主要作用是測量溫濕度并發(fā)送給主機；主機根據(jù)從機測量的溫濕度數(shù)據(jù)控制風扇、加濕器、抽濕器、加熱器等設備。整個系統(tǒng)呈現(xiàn)為星形結構。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

從機的工作原理是一樣的。從機的個數(shù)即溫濕度監(jiān)測點個數(shù)，可以根據(jù)所測環(huán)境的范圍大小來確定。本系統(tǒng)中采用了4個從機。

主機和從機之間采用詢問-應答模式來傳送數(shù)據(jù)。正常工作時，主機向從機發(fā)送查詢命令，從機通過溫濕度傳感器采集大棚的溫濕度數(shù)據(jù)，經過處理后采用無線方式把溫濕度數(shù)據(jù)依次發(fā)送給主機。主機收到溫濕度數(shù)據(jù)后，對其進行處理和分析，在液晶屏上顯示溫濕度測量值，并在超限時通過蜂鳴器報警；同時，對大棚的溫濕度進行調節(jié),達到大棚自動調溫、調濕的功能[10-11]。無線收發(fā)模塊具有超時重發(fā)功能，能夠有效地避免傳輸過程中的丟包現(xiàn)象以及其他信號的干擾。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)人在管理室里對大棚進行觀察、控制的功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設計

主機由主控電路[12-13]、蜂鳴器報警電路、時鐘電路、液晶顯示模塊、無線收發(fā)模塊、驅動電路等組成。

主機硬件如圖2所示。

圖2 主機硬件框圖

從機由主控電路、溫濕度采集模塊、發(fā)光二極管和無線收發(fā)模塊等組成。系統(tǒng)正常工作時，溫濕度測量電路會將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到主控電路，主控電路對數(shù)據(jù)進行處理，再將它傳送到無線發(fā)射模塊，由無線發(fā)射模塊發(fā)送到主機。

從機硬件如圖3所示。

圖3 從機硬件框圖

2.2 主控電路設計

主控電路主要是由STC89C52單片機、晶振電路、電源和復位電路4個部分構成。STC89C52單片機自帶8 KB FLASH、512 B ROM、32個通用I/O口和3個16位可編程定時/計數(shù)器。STC89C52單片機代碼可以向下兼容傳統(tǒng)的89C51單片機，并且具有讀寫速度快、功耗低、掉電數(shù)據(jù)不會丟失等特點。

晶振電路為單片機提供穩(wěn)定的時鐘頻率。XTAL1為外部連接晶振的輸入端口，連接單片機的第19腳；XTAL2為外部連接晶振的輸出端口，連接單片機的第18腳。該單片機晶振的大小不可超過24 MHz。經過綜合考慮，本文最終選擇了12 MHz的晶振。在晶振電路中，串聯(lián)電容可進行濾波，使工作頻率更加穩(wěn)定。電容的選擇范圍通常在15～30 pF之間，在特定范圍內電容值的大小和晶振的穩(wěn)定性成正比。因此，該電路中的電容選用30 pF。

復位電路由電容和電阻構成，與單片機的第9腳，即控制器復位引腳(RST)相連。當按下按鍵時，電容瞬間釋放很高的電壓值，轉換為高電平作用于RST引腳。當RST引腳的高電平狀態(tài)持續(xù)2個或2個以上機器周期時，系統(tǒng)將恢復到原始狀態(tài)，即復位。

2.3 溫濕度采集模塊

本系統(tǒng)的溫濕度采集模塊采用DHT11溫濕度傳感器。DHT11的測量范圍是濕度20%～90%、溫度0～50 ℃，符合大棚的環(huán)境測量要求。該傳感器共有4個接口：引腳1外接3～5 V電壓；引腳2與單片機的P1.0口相連，進行串行數(shù)據(jù)通信；引腳3懸空；引腳4接地。

DHT11在采集數(shù)據(jù)信息時，先對接收到的命令進行響應，再進行溫濕度信息的采集。DHT11將采集到的模擬量信息通過內置的A/D采集緩沖器轉換成數(shù)字量信息，可以直接向單片機發(fā)送數(shù)字量，無需額外的數(shù)模轉換。最后切換到低速模式，等待下一次采集命令。該溫濕度采集電路簡單，檢測精度強，可靠性高，抗干擾能力較好。

2.4 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用液晶顯示模塊實時顯示溫室大棚內多點的溫度和濕度，依次循環(huán)顯示從機1～從機4傳送的溫濕度信息。LCD1602可以一次性顯示32個字符，通過電壓驅動，使用簡單、成本低，滿足系統(tǒng)設計需要。因此，本系統(tǒng)設計采用LCD1602。單片機的P1.0和P1.1連接LCD1602的控制端。溫濕度信息通過P0口，以8位并行的方式傳給顯示器。其中，P0口應接10 kΩ的上拉電阻。

2.5 無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)選用nRF24L01作為無線收發(fā)模塊。該模塊具有高速、低功耗、低成本的特點，內置循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)和點對多點的通信地址控制，能自動重發(fā)，并可以在2.4 GHz的無線頻率上進行數(shù)據(jù)傳輸，遵循串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)協(xié)議。從機和主機中都會用到該模塊。

2.6 蜂鳴器報警電路

雖然該系統(tǒng)可以自動調節(jié)大棚的溫濕度，但是為了提高系統(tǒng)的交互性，設計了1個蜂鳴器報警電路來提醒用戶當前大棚的環(huán)境是否超限。該蜂鳴器報警電路主要由有源蜂鳴器、電阻和PNP三極管組成。其中：三極管用于放大電路；電阻可限流，以減小蜂鳴器電流對整個系統(tǒng)電路的影響。當大棚的實際溫濕度不在設定范圍內時，單片機P1.2輸出一個低電平，通過三極管來放大輸出功率，驅動蜂鳴器發(fā)出警報。

2.7 驅動電路

驅動電路[14]主要由電機、繼電器、發(fā)光二極管、三極管等元器件組成。當單片機的T0口發(fā)生負跳變時，三極管導通，繼電器動合，相應電機開始控制設備工作；當單片機的T0口發(fā)生正跳變時，三極管截止，繼電器動斷，電機控制設備停止工作。

2.8 矩陣鍵盤

矩陣鍵盤是由4個按鍵K1～K4組成。按鍵K1、K2分別用來加減數(shù)值；按鍵K3為溫濕度設置按鍵，將按鍵K3按下1次可設置溫度上限、按下2次可設置溫度下限、按下3次可設置濕度上限、按下4次可設置濕度下限、按下5次保存退出設置頁面；K4為復位按鍵。通過這4個按鍵，可以自由調整溫濕度的限值范圍。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設計

主機接收到溫濕度數(shù)據(jù)后，先判斷數(shù)據(jù)值是否為有效值，再根據(jù)接收到的有效數(shù)據(jù)分別求溫度和濕度的平均值。所得的平均值即為本輪檢測中大棚的溫濕度測量值。主機將溫濕度測量值顯示在液晶屏上，同時對其進行分析。如果溫濕度測量值超出了設定范圍，則通過執(zhí)行機構相應繼電器的吸合，控制風扇、加濕器、抽濕器、加熱器等對大棚的溫濕度進行調節(jié)。

從機等待主機的命令。當從機通過無線收發(fā)模塊收到要求發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，采集到的溫濕度數(shù)據(jù)由無線收發(fā)模塊發(fā)送給主機。

從機控制流程如圖4所示。

圖4 從機控制流程圖

3.2 無線收發(fā)模塊收發(fā)流程

nRF24L01的一對多通信，實際上同一時刻是一對一通信。2個nRF24L01要實現(xiàn)通信，需要將4個參數(shù)設置得相同，即發(fā)射、接收數(shù)據(jù)寬度相同(最大32個字節(jié))，發(fā)射、接收地址相同(5個8位地址)，發(fā)射、接收頻道相同(0～125)，發(fā)射、接收速率相同(2 Mbit/s、1 Mbit/s、250 Mbit/s)。實現(xiàn)一對多通信有3種方式，分別是修改為不同的頻道、修改為不同的地址，以及修改為不同的頻道+不同的地址。本系統(tǒng)中采用的是將各個從機的無線收發(fā)模塊修改為不同的頻道，通過改變主機無線收發(fā)模塊的頻道決定主機與哪一個從機進行通信。例如，主機把頻道修改為從機1的頻道以后發(fā)送數(shù)據(jù)命令，從機1收到命令后發(fā)送溫度數(shù)據(jù)給主機，主機進行響應；主機再把頻道修改為從機2的頻道后發(fā)送數(shù)據(jù)命令，從機2收到命令后發(fā)送溫度數(shù)據(jù)給主機，主機進行響應；以此類推。

3.3 有效值判斷流程

為了應對從機出錯或失效的情況、減小測量誤差，系統(tǒng)將判斷主機接收到的采集值：如溫度值和濕度值與前一時刻液晶顯示值相比，變化分別在±10℃和±20%以內，則判斷為有效值；否則，本次檢測無效，將拋棄本次數(shù)據(jù)，不作處理。

有效性判斷流程如圖5所示。

圖5 有效性判斷流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

nRF24L01芯片一共有126個頻道可用于建立通信[15]。但是為了降低一對四通信時的干擾，本文將從機無線收發(fā)模塊的頻道依次設定為10、40、70、100。通過周期性地改變主機無線收發(fā)模塊的頻道來與從機依次建立通信。經過多次調試，該系統(tǒng)運行良好，主機在與從機相距幾十米時，可以準確地接收數(shù)據(jù)；從機之間的距離超過4 m時，干擾可以忽略[16]。為了測試系統(tǒng)的測試值是否與實際值相符，以及對應設備是否動作，本文進行了對比試驗。測試時間為某天的11時到13時，每20 min測試一次，溫濕度的設定范圍值分別為25～27 ℃和50%～60%，將4個數(shù)字溫濕度計檢測的平均值作為實際值。溫濕度測試值如表1所示。

表1 溫濕度測試值

加熱器、風扇、加濕器和除濕器對應的時序如圖6所示。圖6中：1代表對應設備開，0代表對應設備關。

圖6 對應外設時序圖

由圖6可以看出，測量值和實際值會有誤差，但是誤差不大，對蔬菜生長的影響可以忽略不計。試驗過程中，系統(tǒng)能夠正常工作，對應繼電器能夠正常吸合，設備能夠正常開關?？傮w而言，系統(tǒng)能按照設定的目標正常運行，實現(xiàn)監(jiān)測、控制的目的。

5 結論

本文以STC89C52單片機為核心、DHT11為溫濕度采集模塊、nRF24L01為無線收發(fā)模塊、LCD1602為液晶顯示模塊，通過不同模塊之間的相互配合，組成了大棚溫濕度無線控制系統(tǒng)。經測試證實，該系統(tǒng)達到了設計的預期效果：提高了檢測精度和效率，可以實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)，并自動調節(jié)大棚的溫度和濕度。但是該系統(tǒng)還存在不足：只能滿足幾十米的傳輸距離；監(jiān)控參數(shù)只有溫度和濕度。后續(xù)將圍繞這些問題進行改進，如：添加Wi-Fi和4G/5G模塊以實現(xiàn)更遠距離的傳輸；添加光敏電阻等傳感器以控制光照強弱等。