雞舍無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉德叢

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一款雞舍無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行雞舍現(xiàn)場(chǎng)溫濕度的信息采集，以無線射頻芯片nRF905作為數(shù)據(jù)的無線收發(fā)模塊，以AT89S52單片機(jī)作為數(shù)據(jù)的處理控制模塊。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來看，該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)可靠，而且能有效監(jiān)測(cè)雞舍的溫濕度。

關(guān)鍵詞：雞舍;nRF905;溫濕度監(jiān)測(cè);單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP274;S831.45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）05-0027-03

Abstract： This paper designed a wireless temperature and humidity monitoring system for chicken house. The temperature and humidity sensor DHT11 is used to collect the temperature and humidity information of chicken house， nRF905 is used as the wireless transceiver module， and AT89S52 is used as the data processing control module. Through the experimental verification， the system is not only economical and reliable， but also can effectively monitor the temperature and humidity of chicken house.

Keywords： chicken house;nRF905;temperature and humidity monitoring;single chip microcomputer

1 整體實(shí)現(xiàn)方法分析

在設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)雞舍的結(jié)構(gòu)有一定的了解，雞舍的總面積、雞籠的大小及喂食器的位置都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。本研究的思路是利用溫濕度傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在總控制中心分析監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)。溫濕度傳感器采用的是DHT11，傳感器的作用是采集溫濕度數(shù)據(jù)，然后再由nRF905無線收發(fā)芯片將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)上，接著AT89S52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最后傳送到液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，使用人員可以自己設(shè)定雞舍中達(dá)標(biāo)的溫濕度，對(duì)超出范圍的情況進(jìn)行報(bào)警[1]。

設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目標(biāo)是通過傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的監(jiān)控，并且利用無線傳輸通信技術(shù)將樣本數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。若溫濕度超出了預(yù)設(shè)范圍，報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員采取相應(yīng)的處理措施。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

傳感器的選用是硬件設(shè)計(jì)的第一步。在選用傳感器時(shí)，要根據(jù)預(yù)算和使用環(huán)境來考慮，本系統(tǒng)采用高精度數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11。DHT11溫濕度傳感器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)[2]。在本設(shè)計(jì)中（見圖1），DHT11溫濕度傳感器完全可以滿足響應(yīng)速度和靈敏度的要求，并且這款傳感器性價(jià)比高，可以節(jié)省成本。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

采用無線傳輸數(shù)據(jù)能減少電磁干擾與信號(hào)衰減問題導(dǎo)致的誤差，所以本系統(tǒng)采用的是nRF905無線收發(fā)芯片。受使用環(huán)境所限，在設(shè)計(jì)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊時(shí)著重考慮了模塊的功耗問題。nRF905正常的工作電壓為1.9～3.6 V，對(duì)外數(shù)據(jù)連接的接口為SPI，整個(gè)無線傳輸模塊的控制芯片具備低功耗的特點(diǎn)，在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下，芯片進(jìn)入休眠，減少非工作時(shí)間的耗電問題。

2.3 主控機(jī)的硬件選擇

單片機(jī)是一種集成電路芯片[3]。單片機(jī)可嵌入編程。由于單片機(jī)體積小，所以在工業(yè)上有著不可替代的作用。本系統(tǒng)使用AT89S52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，同時(shí)安裝有小型顯示屏，數(shù)據(jù)分析可以顯示在屏幕上。

2.4 簇頭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸模塊與簇頭節(jié)點(diǎn)的信息傳輸在正常工作時(shí)并不會(huì)產(chǎn)生沖突，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)這兩者共用一個(gè)傳輸模塊，這也考慮了開發(fā)成本問題和整體功耗問題，即簇頭節(jié)點(diǎn)的無線傳輸模塊直接使用傳感器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸裝置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊軟件

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器的節(jié)點(diǎn)軟件和控制芯片，傳感器的節(jié)點(diǎn)軟件主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送控制。傳感器本身并不具備發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，需要通過芯片來實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)軟件嵌入控制芯片中，用以傳輸數(shù)據(jù)的控制。傳感器節(jié)點(diǎn)流程如圖1所示。

無線模塊初始化。無線模塊初始化是第一個(gè)步驟。

從串口接收數(shù)據(jù)。在這一步驟中，系統(tǒng)會(huì)判斷接收數(shù)據(jù)是否成功，如果成功則轉(zhuǎn)向下一個(gè)步驟，如果失敗，則返回繼續(xù)等待串口數(shù)據(jù)的接收。

測(cè)試無線通信命令。在這一步驟中，會(huì)向無線傳輸模塊發(fā)出測(cè)試信號(hào)。在發(fā)出Y字符之后，如果判斷信號(hào)發(fā)送成功，則執(zhí)行第一個(gè)步驟（無線模塊初始化）;如果發(fā)送失敗，則執(zhí)行采集數(shù)據(jù)命令。

采集數(shù)據(jù)命令。在這一步驟中，系統(tǒng)會(huì)向無線傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，如果這一步驟成功，則執(zhí)行無線模塊初始化步驟;如果失敗，則重復(fù)這一步驟，直到成功執(zhí)行無線模塊初始化操作[4]。

3.2 監(jiān)控中心管理軟件

監(jiān)控中心管理軟件模塊包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警模塊四個(gè)部分。

3.2.1 參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置模塊提供了所有可變參數(shù)的設(shè)置。在實(shí)際使用中，管理員要設(shè)置溫濕度報(bào)警參數(shù)，在設(shè)置完成之后，如果接收到的數(shù)據(jù)超過了設(shè)定值，就會(huì)通過預(yù)警模塊來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集。在本設(shè)計(jì)中，考慮到雞舍的面積較大，正常投入使用時(shí)需要多個(gè)傳感器同時(shí)采集雞舍內(nèi)部不同位置的溫濕度信息，所以數(shù)據(jù)采集模塊還需要實(shí)現(xiàn)同步采集多傳感器的數(shù)據(jù)，再將這些不同的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)工具中。

3.2.3 數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理主要是通過數(shù)據(jù)庫(kù)工具來實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)有多個(gè)數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表用于存放不同時(shí)間段和不同類型的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。由于雞舍面積較大，所以單個(gè)傳感器無法完成全部數(shù)據(jù)采集，在實(shí)際應(yīng)用中，需要利用多個(gè)傳感器同時(shí)采集不同位置的溫濕度信息，再由數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行信息匯總和分析。因此，數(shù)據(jù)管理模塊的主要功能是控制多個(gè)位置傳感器的數(shù)據(jù)管理工作（見圖2）。

3.2.4 預(yù)警模塊。當(dāng)傳感器感應(yīng)到的溫度超出了設(shè)定的參數(shù)范圍時(shí)，預(yù)警模塊會(huì)控制相應(yīng)的設(shè)備發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)預(yù)警的具體內(nèi)容也會(huì)在屏幕上進(jìn)行展示。預(yù)警模塊與其他三個(gè)模塊的功能是緊密相連的。只有在數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)管理模塊將溫濕度信息傳遞給預(yù)警模塊時(shí)，預(yù)警模塊才可以判斷當(dāng)前雞舍的溫濕度是否在可接受范圍內(nèi)[5]。

4 系統(tǒng)部署與測(cè)試分析

4.1 系統(tǒng)部署

在養(yǎng)雞場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)的部署實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過測(cè)量，所選實(shí)驗(yàn)雞舍長(zhǎng)90 m，寬10 m，平均高度5.2 m，最高點(diǎn)高度為6 m，為四層雞籠模式。為了更好地監(jiān)測(cè)雞舍內(nèi)各個(gè)位置的溫度，共布置9個(gè)傳感器。

考慮到實(shí)際使用需要，數(shù)據(jù)采集周期為10 min，該周期是可調(diào)節(jié)的。在采集時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)都是被動(dòng)式觸發(fā)方式，即每10 min固定采集一次數(shù)據(jù)，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)以10 min為間隔并不合適，又將數(shù)據(jù)采集周期調(diào)節(jié)到20 min。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電都是兩塊串聯(lián)的18650鋰電池，滿電一次的使用時(shí)長(zhǎng)為一周。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸誤差測(cè)試。通過提取相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼`差在可接受的范圍之內(nèi)，整體誤差為0.31%。

4.2.2 功耗測(cè)試。數(shù)據(jù)采集的間隔最終被設(shè)定為20 min，采用兩節(jié)18650鋰電池供電的節(jié)點(diǎn)可工作時(shí)間為一周，如果將數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為60 min，則可工作時(shí)間更長(zhǎng)。這是由于在非采集時(shí)間內(nèi)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，使得功耗大大降低，極大地延長(zhǎng)了可持續(xù)工作的時(shí)間。

4.2.3 系統(tǒng)連續(xù)工作狀態(tài)測(cè)試。經(jīng)過測(cè)試可知，雞舍內(nèi)的溫濕度情況都能被準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出來，并且觀察了近一個(gè)月的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)后，并未發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)異常情況?？梢姡撓到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雞舍內(nèi)溫度和濕度情況的遠(yuǎn)程、準(zhǔn)確測(cè)量[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器DHT11對(duì)雞舍中的溫濕度進(jìn)行樣本采集，然后再由nRF905無線收發(fā)芯片將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)上，接著利用AT89S52單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，最后傳送到液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。使用者可以自己設(shè)定雞舍中達(dá)標(biāo)的溫濕度，對(duì)超出范圍的情況進(jìn)行報(bào)警。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本文設(shè)計(jì)的雞舍無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠的系統(tǒng)，能有效監(jiān)測(cè)雞舍的溫濕度。

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