【摘要】本文介紹了使用AT89S51單片機(jī)和溫度傳感模塊構(gòu)造的溫度采集系統(tǒng)，構(gòu)造出在開發(fā)板的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的溫室溫度測量系統(tǒng)，研究出了前臺(tái)，同樣通過有線網(wǎng)或者無線網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息傳輸和交換，使相關(guān)的操作人員可以在不同距離下進(jìn)行指揮和調(diào)度，確保溫室溫度在相關(guān)的季節(jié)保持一個(gè)合適的狀態(tài)，達(dá)到高效增產(chǎn)的目的。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；溫度控制；AT89S51；傳感器；ZIGBEE

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給不同行業(yè)的發(fā)展帶來了新鮮的技術(shù)，由于物聯(lián)網(wǎng)有交互性和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，在工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)、電子商務(wù)、智能家居等方面提供了很大的技術(shù)支持[1]。在各個(gè)方面有很大的技術(shù)空間和開發(fā)環(huán)境，比如在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方面也很有前景，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的打藥、施肥、澆水，農(nóng)民全靠感覺、憑經(jīng)驗(yàn)。如今要發(fā)展現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)除了要憑感覺和經(jīng)驗(yàn)，先進(jìn)的技術(shù)手段也必不可少，可以在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)等各個(gè)方面，本文就是在這樣的技術(shù)前提下，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室溫度控制系統(tǒng)，全面的設(shè)計(jì)和介紹了這種系統(tǒng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)。

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

2.1 性能指標(biāo)

本設(shè)計(jì)的前臺(tái)是溫度采集和控制系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)下要完成溫度的采集和整理需要相關(guān)的設(shè)計(jì)器件，如溫度傳感器，本設(shè)計(jì)中的溫度傳感器采用了DS18B20型號(hào)的傳感器，測量的范圍比較廣，精度也比較高，可以通過液晶顯示當(dāng)前的溫度，也可以設(shè)定相關(guān)的溫度[2]。設(shè)計(jì)的微處理器采用了AT89S51系列，采用AT89S51系列有很多特點(diǎn)：AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)中，溫度的采集的傳輸有多種形式，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)還包括電子數(shù)據(jù)的交換（E DI）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）等關(guān)鍵技術(shù)[3]。在遠(yuǎn)程信息傳輸過程中也采用了是無線網(wǎng)技術(shù)，在串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)有得天獨(dú)特優(yōu)勢的串口WiFi產(chǎn)品線，它的最大特點(diǎn)是：可以通過串口來配置各種參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)自主連接，連接完成之后可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳?？梢詭椭芏嘣O(shè)備通過串口就很容易實(shí)現(xiàn)WiFi通信，實(shí)現(xiàn)物物都聯(lián)網(wǎng)的目的。可以通過遠(yuǎn)程進(jìn)行控制，當(dāng)測試的溫度高于溫室溫度的上限值得時(shí)候進(jìn)行遠(yuǎn)程降溫，如果采集的溫度低于允許溫度的下限時(shí)，將溫室溫度進(jìn)行加溫，將溫度控制在允許的正常范圍之內(nèi)。

2.2 系統(tǒng)方案比較、設(shè)計(jì)與論證

該溫度采集系統(tǒng)的前臺(tái)系統(tǒng)主要由溫度測量和溫度設(shè)置及系統(tǒng)狀態(tài)顯示三部分電路組成，下面介紹實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)功能的方案。

（1）溫度測量

采用數(shù)字溫度芯片DS18B20輸出信號(hào)全數(shù)字化來測量實(shí)際溫度，便于單片機(jī)控制及處理，可以簡化很多外圍電路。DS18B20的測量性能很穩(wěn)定，不僅可以測量農(nóng)業(yè)溫度，在工業(yè)溫度的測量中也是可以的。由于測量的精度高，測量的誤差不超過0.5攝氏度[4]。DS18B20的最大特點(diǎn)之一采用了單線采集系統(tǒng)可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接也可以通過電子顯示屏顯示相關(guān)的溫度。在這樣的情況下，功耗低，并且體積小，可以節(jié)省成本。采用51單片機(jī)控制，軟件編程的自由度大，可以通過簡單的匯編語言程序設(shè)計(jì)進(jìn)行編程，還可以采用靈活的C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。既可以單獨(dú)對(duì)多DS18B20控制工作，還可以與PC機(jī)通信上傳數(shù)據(jù)，另外AT89C51在工業(yè)控制上也有著廣泛的應(yīng)用，在整體的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)很成熟了[6]。

（2）設(shè)置溫度

采用可用4X3型鍵盤輸入設(shè)置溫度，鍵盤系統(tǒng)僅需12個(gè)按鍵，可以用4X4型。該型鍵盤比較常用，而且用到的接口得到了極好的利用，僅需要8個(gè)接口[7]。

（3）狀態(tài)顯示

測溫裝置可以通過遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)也可以通過開發(fā)板的LCD進(jìn)行溫度的顯示，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，兩種的可行性都可以。綜上所述各個(gè)方案都可以進(jìn)行開發(fā)，具體的設(shè)計(jì)如圖1所示。

該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測并用LCD（AMPIRE 128X64）顯示該系統(tǒng)實(shí)際溫度和設(shè)置溫度。該系統(tǒng)還具有非常強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以將它用在實(shí)際生活用品中，如普通的加熱設(shè)備的使用都可以采用相關(guān)的傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）無線傳輸

作為比較流行的無線傳輸技術(shù)，通常采用WIFI作為基本的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將采集到的溫度信息傳輸?shù)角芭_(tái)的計(jì)算機(jī)上，它傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_(dá)到100mbps，傳輸速度較高，而且穩(wěn)定性較好，但是WIFI無線保真技術(shù)只適合近距離傳輸，若要使用遠(yuǎn)距離傳輸，采用ZIGBEE技術(shù)有較好的市場，采用了密鑰技術(shù)，有容量大，可靠性好，時(shí)延小的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)成本比較低。

3.前臺(tái)硬件設(shè)計(jì)電路

溫度采集電路設(shè)計(jì)中，控制器使用單片機(jī)AT89S51，溫度傳感器使用DS18B20，用液晶實(shí)現(xiàn)溫度顯示。下面具體分析溫度檢測電路：

DS18B20的供電電源有2種方式：寄生電源方式和外部供電方式。工作于寄生電源方式時(shí)，GND和VDD接地，比較適合遠(yuǎn)程電路控制和場合，原理是當(dāng)DQ作為1Wire總線的信號(hào)線并且在高電平，DS18B20供電用竊取能量信號(hào)[8]，同時(shí)一部分能量給內(nèi)部電容充電，當(dāng)DQ為低電平時(shí)釋放能量為DS18B20供電。但寄生電源方式需要強(qiáng)上拉電路，軟件控制變得復(fù)雜（特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到E2PROM時(shí)）[9]，同時(shí)芯片的性能也有所降低。因此，盡量采用外供電方式，在條件允許的場合。無論是外部供電還是內(nèi)部寄生電源，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。DS18B20與芯片連接電路如圖2所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測量、計(jì)算、顯示、通訊等。二是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。

5.仿真效果圖的設(shè)計(jì)

仿真軟件通常采用，PROTEUS來進(jìn)行繪制，采用PROTEUS仿真具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如設(shè)計(jì)原理清晰，便于在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并且可以大批量的應(yīng)用于生產(chǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中有較好的發(fā)展空間，可以清晰顯示傳感器采集的溫度，以及轉(zhuǎn)向加熱或者降溫的過程。

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基金項(xiàng)目：湖北理工學(xué)院青年項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：13xjz060）。

作者簡介：田嵩（1981—），女，碩士，現(xiàn)供職于湖北理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。