趙志華 段志偉

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

溫室大棚生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)就是對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，如空氣的溫度、濕度、光強(qiáng)及土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問(wèn)題中，溫室環(huán)境與植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化和科學(xué)化的基本保證，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。傳統(tǒng)的溫/濕度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)，通過(guò)讀取溫度值和濕度值了解溫室的實(shí)際溫/濕度，然后根據(jù)現(xiàn)有溫/濕度與額定溫/濕度進(jìn)行比較，再進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)措施(通風(fēng)或?yàn)⑺?。這些操作都是由人工完成的，耗費(fèi)了大量的人力和物力。

筆者設(shè)計(jì)了一套低成本的測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，由上位機(jī)和下位機(jī)(都用單片機(jī)實(shí)現(xiàn))構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)溫室大棚溫/濕度的密切監(jiān)測(cè)[1]。首先確定了設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)，即以3處不同地點(diǎn)的溫室大棚作為采集對(duì)象[2,3]，通過(guò)傳感器采集溫度、濕度和光強(qiáng)這些參數(shù)；之后由各點(diǎn)的無(wú)線系統(tǒng)將所采集到的參數(shù)傳送到接收端，接收端再將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)從而完成監(jiān)測(cè)。

1 總體方案①

計(jì)算機(jī)控制部分的作用是對(duì)溫/濕度和光照強(qiáng)度這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)，其中較為重要的是實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫/濕度和光照強(qiáng)度的采集與傳輸，利用RS232連接線與下位機(jī)進(jìn)行通信。該設(shè)計(jì)是基于VB的多路采集與處理系統(tǒng)，上位機(jī)主要是利用VB進(jìn)行軟件編程，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤顯示，繪制出溫/濕度變化曲線，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)軟件。利用該軟件可以控制下位機(jī)的工作，還可以通過(guò)輸入時(shí)間參數(shù)對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

單片機(jī)部分是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的核心部分，采用STC89C52作為主控單元。首先是3個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)對(duì)各自的傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到連接上位機(jī)的單片機(jī)中，也就是接收機(jī)。最后接收機(jī)通過(guò)RS232連接線將這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。下位機(jī)發(fā)送端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下位機(jī)發(fā)送端框

綜上所述，本系統(tǒng)大致可分為5部分：計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)、單片機(jī)控制部分、無(wú)線模塊部分、傳感器部分和1602、12864顯示部分(圖2)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件組成

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由DHT11溫/濕度傳感器和BH1750光照傳感器組成，這兩種傳感器用在發(fā)送端上分別采集溫/濕度和光強(qiáng)參數(shù)，并將參數(shù)傳送到單片機(jī)。DHT11數(shù)字溫/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。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫/濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性[4]。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，并與一個(gè)高性能八位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 DHT11電路連接

BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，不需要再做復(fù)雜的計(jì)算，其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 BH1750電路連接

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

STC89C52單片機(jī)是目前最常用的單片機(jī)之一，此處用作數(shù)據(jù)處理和控制單元。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)處理單元由nRF24L01模塊組成，用在發(fā)送端和接收端，它是一款工作在2.4～2.5GHz范圍內(nèi)，世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示[5]。

圖5 nRF24L01電路連接

2.4 數(shù)據(jù)顯示單元

數(shù)據(jù)顯示單元由1602字符型液晶和帶中文字庫(kù)的12864液晶組成。1602字符型液晶用在發(fā)送端，顯示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的溫室參數(shù)。12864液晶用在接收端，顯示所有節(jié)點(diǎn)的溫室參數(shù)。1602和12864液晶電路連接如圖6、7所示。

圖6 1602液晶電路連接

圖7 12864液晶電路連接

系統(tǒng)的硬件組成主要包括以上幾個(gè)方面，由數(shù)據(jù)采集單元采集到數(shù)據(jù)以后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)無(wú)線技術(shù)將各點(diǎn)所采集的參數(shù)傳送到接收端，發(fā)送端電路如圖8所示，接收端再將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)從而完成監(jiān)測(cè)，接收端電路如圖9所示。

圖8 發(fā)送端電路

圖9 接收端電路

3 系統(tǒng)軟件

本設(shè)計(jì)的整體思路是基于nRF24L01具有同時(shí)接收多通道的數(shù)據(jù)功能來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。首先本設(shè)計(jì)要完成發(fā)送端傳感器對(duì)溫/濕度和光照的測(cè)量；然后通過(guò)nRF24L01無(wú)線模塊將參數(shù)發(fā)送到終端，在此基礎(chǔ)上再加入其他兩節(jié)點(diǎn)；最后通過(guò)RS232連接線將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)無(wú)線局域的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)。發(fā)送端有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)除了發(fā)送地址和標(biāo)志位不同，其余都是相同的，因而軟件總設(shè)計(jì)流程的發(fā)送端不再一一列出，只以其中一個(gè)為例(圖10)。

圖10 軟件總設(shè)計(jì)流程

4 開發(fā)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件中共有兩個(gè)界面，首先進(jìn)入的是系統(tǒng)登錄界面。登錄到系統(tǒng)的主界面后，首先要對(duì)串口進(jìn)行設(shè)置：上位機(jī)與單片機(jī)通過(guò)RS232總線進(jìn)行連接，COM口一般選擇COM3，這與計(jì)算機(jī)的設(shè)置有關(guān)。串口的設(shè)置界面如圖11所示。將串口參數(shù)設(shè)置后，開始進(jìn)行溫室參數(shù)的監(jiān)控。溫室參數(shù)顯示界面如圖12所示。

圖11 串口設(shè)置界面

圖12 溫室參數(shù)顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在理解溫室監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)溫室大棚溫/濕度和光照強(qiáng)度參數(shù)監(jiān)測(cè)的研究與設(shè)計(jì)。首先通過(guò)溫/濕度傳感器和光照傳感器采集溫/濕度和光照參數(shù)，再以此為節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式將各節(jié)點(diǎn)溫/濕度參數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此系統(tǒng)不但提高了監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)行和有效性，并減少了人工控制測(cè)試的溫/濕度誤差大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力及效率低等問(wèn)題。