胡古月，黃麗華

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031)

溫室、大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溫濕度的實(shí)時收集與控制管理是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)農(nóng)作物栽培的重要環(huán)節(jié)。溫濕度傳感器一般以有限傳送的方式傳輸數(shù)據(jù)，存在傳輸線路復(fù)雜，不適合大范圍放置，線路易老化而影響數(shù)據(jù)的可靠性，連接維修成本昂貴等問題。溫度傳感器與濕度測量器屬于20世紀(jì)90年代興起的產(chǎn)品。濕度傳感器分為電阻式與電容式2種，產(chǎn)品的形式都是基片上涂覆感濕材料形成感濕膜。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展，濕敏傳感器從簡單的單一元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。國內(nèi)外廠家的溫濕度傳感器產(chǎn)品水平不一、價格參差不齊。就國內(nèi)市場而言，濕度傳感器以電容式濕敏傳感器較為多見。目前，國外已相繼推出高精度、高分辨力的智能傳感器，如由美國DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.031 25℃，測量精度為±0.2℃。另外，智能溫濕度傳感器正從單通道向多通道方向發(fā)展，而總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，如使用I2C總線、SMBUS總線、SPI總線等。隨著價格低、集成度高的無線模塊的不斷問世，使用無線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)已成為可能?；赟TM32的溫室溫濕度采集系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、串口模塊、無線模塊，以及上位機(jī)模塊。2個無線模塊通過單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)中，再由上位機(jī)顯示實(shí)時數(shù)據(jù)，從而達(dá)到實(shí)時采集、無線傳輸與在線監(jiān)控的目的。實(shí)驗(yàn)雖以溫室為例，但因其簡便性，具有較好的可移植能力，可以移植到其他工作環(huán)境中。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和工作原理

本系統(tǒng)由一個主機(jī)與2個單片機(jī)組成，系統(tǒng)原理框架由圖1所示。上位機(jī)由STM32單片機(jī)、無線模塊、天線、電源模塊、時鐘模塊、終端設(shè)備，以及串口通信模塊組成。在上位機(jī)系統(tǒng)下，STM32單片機(jī)作為主控單元，通過接收無線模塊從下位機(jī)發(fā)送過來的溫濕度數(shù)字信號，經(jīng)過串口通信模塊與終端設(shè)備進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)進(jìn)入 PC機(jī)，由LABVIEW編寫的上位機(jī)顯示出相應(yīng)數(shù)據(jù)。下位機(jī)由控制芯片STM32單片機(jī)、無線模塊、電源模塊、時鐘模塊組成。下位機(jī)系統(tǒng)中，由溫濕度傳感器DHT21分別對溫濕度進(jìn)行實(shí)時采集，采集的數(shù)字信號經(jīng)過主控芯片STM32單片機(jī)的處理由無線發(fā)送模塊nRF24L01將溫濕度數(shù)字信號發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)中。

2 傳感器采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的組成與功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 溫濕度傳感器

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度技術(shù)，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性。DTH21為4針單排引腳封裝信號傳輸距離可達(dá)20 m以上。

2.2 STM32單片機(jī)

圖1 基于STM32的溫室溫濕度采集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

STM32系列基于專為高性能低成本的嵌入式專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，替代M3內(nèi)核，該系列處理器融合了16位單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有低功耗、低成本等特點(diǎn)。增強(qiáng)型系列更是達(dá)到時鐘頻率72 MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高端的運(yùn)算。二外設(shè)則帶來出眾的控制和聯(lián)接能力。采用哈佛結(jié)構(gòu)、單周期乘法指令和硬件除法指令，與ARM7TDMI相比，運(yùn)行速度可加快35%，而代碼最多可節(jié)省45%。系統(tǒng)選用STM32F103RBT6作為MCU，使用這款主要是其優(yōu)秀的性價比，其最小系統(tǒng)擁有128KB FLASH、20KB SRAM、51個可用I/O腳和4個16位定時器等，這樣的配置無論放到哪里都是很不錯的，更重要的是其價格低廉，所以選擇其作為我們的主芯片。STM32單片機(jī)在系統(tǒng)中，接受無線射頻模塊發(fā)送的信息，并通過另一塊STM32單片機(jī)控制無線射頻模塊發(fā)送接收到的溫濕度數(shù)字信號。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最初宗旨是使其可以方便運(yùn)輸與使用，STM32這款單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊大小適中，并且便于拆卸與組裝，易于攜帶。

2.3 nRF24L01無線發(fā)射模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)一體器件，工作頻段為2.4～2.5 GHz ISM頻段。其內(nèi)部包括頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。具有極低的電流消耗，在發(fā)射模式下發(fā)射功率0 dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。本系統(tǒng)中nRF24L01模塊，2塊都與單片機(jī)相連，執(zhí)行接受與發(fā)送信號的功能。具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)送功能，如果要實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，就必須用戶程序設(shè)計(jì)，事實(shí)上這種方式能更好地實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。對于農(nóng)田或溫室這種變化較大的環(huán)境下，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定是決定工作人員是否對農(nóng)作物進(jìn)行調(diào)控的決定性因素。所以，nRF24L01可靠的穩(wěn)定性和自動應(yīng)答功能，可使用戶得到較為可信的數(shù)據(jù)。模塊原理如圖2所示。

2.4 電源模塊

圖2 無線發(fā)射模塊的工作原理

系統(tǒng)中單片機(jī)及溫濕度傳感器采用5 V供電，無線模塊采用3.3 V供電，為了保證兩者信號傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)化電路，分別如圖3和圖4所示。

圖3 單片機(jī)5 V供電的電路

圖4 無線模塊3.3 V供電的電路

3 上位機(jī)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用Labview作為上位機(jī)開發(fā)軟件。Labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，使用圖形化編輯語言G語言編寫，產(chǎn)生框圖形式的程序。作為一款虛擬儀器開發(fā)軟件，Labview是通用編程程序，是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編輯語言。Labview的核心為數(shù)據(jù)流，采用數(shù)據(jù)流編程方式，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流向編寫程序。作為一款面向最終用戶的工具，它增強(qiáng)了創(chuàng)建用戶自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，因此，提高了工作效率。系統(tǒng)上位機(jī)控制界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)控制的界面

溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸模塊的傳輸，單片機(jī)的解析后，通過串口由單片機(jī)傳送給PC上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類后在虛擬儀器中顯示出來，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到或超過環(huán)境所需最大容量時，報警器即亮紅燈，提示溫度或濕度過高，需要相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)采集次數(shù)等于預(yù)設(shè)次數(shù)時，系統(tǒng)停止采集，否則一直進(jìn)行采集直到結(jié)束按鈕被按下為止。

4 系統(tǒng)測試

本研究是基于STM32的溫濕度采集系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過小規(guī)模試驗(yàn)驗(yàn)證，在封閉環(huán)境下，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，可將系統(tǒng)移植于溫室大棚中，檢測溫室大棚中溫濕度的變化。

試驗(yàn)采用400 mm×400 mm×400 mm的正方體塑料盒，上方放置6只1 W燈泡。將傳感器采集節(jié)點(diǎn)模塊分別放置在容器中節(jié)點(diǎn)1，2，3，4和5中 (表1)，輸入程序連續(xù)采集數(shù)據(jù)10次，通過PC上位機(jī)觀察具體數(shù)據(jù)。

閉合電燈開關(guān)，帶盒中溫度穩(wěn)定后接通傳感器節(jié)點(diǎn)采集模塊電源，并觀察上位機(jī)數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見表1。表1 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)測試的溫度和相對濕度

傳輸距離/節(jié)點(diǎn)1 m節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)3節(jié)點(diǎn)4節(jié)點(diǎn)5溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃溫度/℃濕度/%對照溫度/℃10 59 40 60 58 41 60 56 39 55 40 41 41 41 40 41 20 58 40 60 57 41 60 52 40 55 42 41 41 41 41 41 30 59 41 60 59 42 60 52 40 55 39 40 41 40 39 41 40 57 42 60 59 40 60 51 42 55 41 42 41 40 38 41 50 0 0 60 0 0 60 0 0 55 0 0 41 0 0 41

5 小結(jié)

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于STM32的溫室溫濕度采集系統(tǒng)，具有操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，上位機(jī)操作界面人性化，采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精確等優(yōu)點(diǎn)，且無線接收，可大幅降低成本，能夠基本滿足采集要求，具有較好的應(yīng)用前景。但系統(tǒng)也存在一定的問題，如傳輸距離超過40 m時數(shù)據(jù)無法顯示，或者數(shù)據(jù)傳輸不精確;需不同位置多次采集，才可以得出環(huán)境平均溫濕度。如何通過使用其他型號模塊來試圖加大距離，以及系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)功能的完善，尚待進(jìn)一步研究。

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