朱鵬　龔宗輝　李盼盼　桂姝　陳庭宇

【摘 要】溫度和濕度是保證農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)中兩個(gè)重要因素，因此監(jiān)測(cè)和控制溫濕度對(duì)于溫室大棚農(nóng)作物來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。相較于以往的測(cè)溫測(cè)濕系統(tǒng)都是通過(guò)有線方式傳送數(shù)據(jù)，線路復(fù)雜布局困難、電線易老化等問(wèn)題影響了其可靠性。而溫度、濕度傳感器這樣的設(shè)備并不需要很大的功率和傳輸速率。所以ZigBee技術(shù)以其低功耗、支持大量節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸且安全可靠的特點(diǎn)正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)溫濕度系統(tǒng)的缺陷。并且由于傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)是通過(guò)儀器到溫室大棚內(nèi)檢測(cè)、記錄，然后再人工啟動(dòng)相關(guān)的設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)溫濕度。當(dāng)溫度或濕度超過(guò)極限值時(shí)，傳統(tǒng)的控制方式在調(diào)控和監(jiān)測(cè)之間有一個(gè)時(shí)間差，如果正好在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)由于人工的疏忽而沒(méi)有及時(shí)的啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備來(lái)調(diào)控溫濕度就很可能造成不可逆轉(zhuǎn)的后果。本文主要研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制大棚內(nèi)的溫濕度以保證大棚內(nèi)的溫濕度隨時(shí)處于正常水平。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚；溫濕度；單片機(jī)；ZigBee

0.引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)新鮮、反季節(jié)瓜果蔬菜的需求不斷增加。加之中國(guó)又是一個(gè)耕地稀缺的人口大國(guó)，所以發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)是解決這一難題的不二之選。溫室大棚以其獨(dú)特的生產(chǎn)方式得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，由于我國(guó)溫室大棚發(fā)展較晚，目前國(guó)內(nèi)大棚自動(dòng)化水平低，大棚溫濕度監(jiān)測(cè)可靠性低，所以現(xiàn)代化溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越引起重視。為解決以上問(wèn)題，本文針對(duì)大棚布局及作物生長(zhǎng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一套溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫濕度的實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸及顯示，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合大棚內(nèi)實(shí)際農(nóng)作物的生長(zhǎng)特點(diǎn)來(lái)控制溫濕度，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)、高效高產(chǎn)的目的。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、組網(wǎng)靈活且容易擴(kuò)展，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成

本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，組成一個(gè)集溫濕度采集、傳輸、分析、顯示及自動(dòng)調(diào)控于一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由溫濕度傳感器、ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、單片機(jī)、固態(tài)繼電器、負(fù)壓風(fēng)機(jī)和濕簾組成。

1.2溫濕度采集模塊

1.2.1 DHT11溫濕度傳感器介紹

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，超小的體積、極低的功耗，使其成為溫濕度采集應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

1.2.2 DHT11的技術(shù)參數(shù)

供電電壓：3.3～5.5VDC

測(cè)量范圍：濕度20-90%RH，溫度0～50℃

測(cè)量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃

分辨率：濕度1%RH，溫度1℃

1.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

1.3.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是組網(wǎng)簡(jiǎn)單、低功耗、高數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

1.3.2 ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的建立

由于ZigBee組網(wǎng)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸高效，本系統(tǒng)采用最簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)組網(wǎng)。本系統(tǒng)使用帶有zigbee協(xié)議的無(wú)線模塊，通過(guò)串口連接的方式來(lái)構(gòu)建zigbee溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由一臺(tái)溫濕度數(shù)據(jù)集中器（zigbee協(xié)調(diào)器）和安裝在各處的溫濕度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（zigbee設(shè)備）組成的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

1.4單片機(jī)模塊

1.4.1單片機(jī)概述

單片機(jī)是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)。單片機(jī)以其體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、功能齊全的特點(diǎn)在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.4.2 8051芯片的引腳分布

芯片引腳分布：

（1）電源引腳（2個(gè)）

（2）外接晶體引腳（2個(gè)）

（3）控制引腳（4個(gè)）

（4）并行輸入/輸出引腳（32個(gè)，分成4個(gè)8位口）

1.4.3 8051芯片的復(fù)位

8051單片機(jī)的復(fù)位方法有兩種：

（1）手動(dòng)復(fù)位：按鈕按下，復(fù)位腳得到VCC的高電平，單片機(jī)復(fù)位，按鈕松開(kāi)后，單片機(jī)開(kāi)始工作。

（2）上電復(fù)位：上電后，電容電壓不能突變，VCC通過(guò)復(fù)位電容給單片機(jī)復(fù)位腳施加高電平5V，同時(shí)，通過(guò)10KΩ電阻向電容器反向充電，使復(fù)位腳電壓逐漸降低。經(jīng)一定時(shí)間后復(fù)位腳變?yōu)?V，單片機(jī)開(kāi)始工作。

1.5溫濕度調(diào)節(jié)控制模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單片機(jī)接收到ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊傳輸回來(lái)的溫濕度信息時(shí)，分析數(shù)據(jù)并判斷是否超出界限值，繼而由單片機(jī)發(fā)出高低電平控制信號(hào)來(lái)控制相關(guān)設(shè)備的啟停。由于單片機(jī)發(fā)出的電平信號(hào)是一個(gè)弱電信號(hào)，所以就需要加入繼電器來(lái)放大信號(hào)以達(dá)到弱電控制強(qiáng)電的目的。

1.5.1固態(tài)繼電器概述

固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中無(wú)機(jī)械接觸部件，固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機(jī)械沖擊，安裝位置無(wú)限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點(diǎn)。

1.5.2 AC-SSR固態(tài)繼電器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

輸入電壓范圍：在環(huán)境溫度25℃下，固態(tài)繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。

輸入電流：在輸入電壓范圍內(nèi)某一特定電壓對(duì)應(yīng)的輸入電流值。

接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時(shí)，輸出端確保導(dǎo)通。

關(guān)斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時(shí)，輸出端確保關(guān)斷。

額定輸出電流：環(huán)境25℃時(shí)的最大穩(wěn)態(tài)工作電流。

額定輸出電壓：能夠承受的最大負(fù)載工作電壓。

2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括定義端口、8051初始化、ZigBee模塊初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷調(diào)用各種子程序，從而完成溫濕度的監(jiān)測(cè)和調(diào)控。主程序流程圖如圖2-1

圖2-1 主程序流程圖

3.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)與控制的弊端，利用ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、單片機(jī)、固態(tài)繼電器等設(shè)計(jì)了一套溫室大棚智能無(wú)線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功耗低、傳輸數(shù)據(jù)高效快捷、組網(wǎng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，正好填補(bǔ)了當(dāng)前溫室大棚測(cè)溫測(cè)濕系統(tǒng)的不足。并且該系統(tǒng)能夠隨溫室大棚的溫濕度變化而智能調(diào)控溫濕度，所以該（下轉(zhuǎn)第183頁(yè)）（上接第111頁(yè)）系統(tǒng)在發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)有著較高的應(yīng)用價(jià)值。 [科]

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