東莞職業(yè)技術(shù)學院 薛勝朋 胡葉容

人們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要實時的對溫濕度進行測量，因此研究溫濕度的測量方式具有重要的意義。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚農(nóng)業(yè)也慢慢地得到了普及。但是現(xiàn)有的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)是通過人工值守和有線方式采集。有線數(shù)據(jù)采集受地理環(huán)境的影響較大，大大浪費了資源和降低了效率。

針對現(xiàn)狀，筆者提出了一種可以滿足實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控，易擴展且性價比高的無線多路溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以對溫室大棚的溫濕度進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)自動報警，自動控制。

1 總體設(shè)計

系統(tǒng)由兩部分組成：從機節(jié)點系統(tǒng)和主機接收系統(tǒng)。從機節(jié)點系統(tǒng)由溫濕度傳感器，STC89C52RC單片機，nRF24L01無線收發(fā)模塊，LCD1602組成。主機接收系統(tǒng)由按鍵輸入模塊，報警模塊，nRF24L01無線收發(fā)模塊以及LCD12864組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

節(jié)點安裝在大棚各個位置，溫濕度傳感器實時采集數(shù)據(jù)，單片機進行數(shù)據(jù)處理，通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機接收系統(tǒng)上，同時與用戶設(shè)定的溫濕度上限值進行對比，如果超過閥值，則蜂鳴器報警，同時控制溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開與閉。主機上的無線收發(fā)模塊通過地址來區(qū)分各個節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)，最終將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)實時顯示在主機自帶的LCD12864上。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 溫度傳感器電路

本系統(tǒng)的溫度傳感器選用新一代數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其測溫范圍-55～+125℃，最高分辨率可達0.0625℃。它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便，成本低。

圖3 無線模塊工作原理圖

圖4 單片機接線圖

濕度傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的溫濕度傳感和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，測量范圍相對濕度20%～90%RH，攝氏溫度0～50℃。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。數(shù)據(jù)接口采用單線制串行接口，信號傳輸距離可達20m以上。傳感器典型連接方式如圖2所示，電源正與地跟單片機電源正和地相連接，8路數(shù)據(jù)接口分別接5.1k上拉電阻與單片機P口連接。

圖2 濕度傳感器接口電路

2.2 無線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用2.4GHz無線單片收發(fā)芯片nRF24L01，采用FSK調(diào)制，可以實現(xiàn)點對點或1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2M（bps）。它體積小、功耗低、外設(shè)少、速率高，非常適合于無線傳輸應用系統(tǒng)。nRF24L01可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。STC12C5A60S2單片機集成了SPI控制器，可以非常方便地通過軟件設(shè)置，只收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，編程很方便。nRF24L01的連接圖如圖3所示。

2.3 報警控制裝置

報警應用12V有線聲光報警裝置，聲光交替，發(fā)聲裝置采用蜂鳴器，以引起注意。控制裝置用于調(diào)節(jié)溫室的溫度和濕度，主要是排風扇、加熱器、加濕機、干燥機等，這些執(zhí)行設(shè)備一般具有較高的功率，需要專門的驅(qū)動電路控制。采用繼電器控制，由單片機I/O口輸出控制信號，經(jīng)光耦隔離將弱電與強電控制分開，實現(xiàn)前后級電路的電氣隔離，可以提高控制系統(tǒng)抗干擾能力。工作時，單片機的I/0口驅(qū)動繼電器，啟動排風扇、加熱器、加濕機、干燥機等執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)溫室環(huán)境溫濕度。

2.4 單片機系統(tǒng)

從機節(jié)點和主機接收部分的單片機系統(tǒng)均采用由STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機。單片機系統(tǒng)包括晶振、復位、顯示及RS232串行通信等。單片機與PC的串口進行通信，中間需接有電平轉(zhuǎn)換芯片，該系統(tǒng)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。溫濕度是一個緩慢變化過程，實時性要求不是很高，因此系統(tǒng)晶振采用11.0592M，為RS232提供準確波特率。復位采用上電自動復位和看門狗復位，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖4所示。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括節(jié)點和監(jiān)控中心兩部分節(jié)點部分主要由溫度采集子程序，濕度采集子程序，無線發(fā)送子程序，1602顯示子程序組成。節(jié)點系統(tǒng)上電后，單片機首先復位，接著各個模塊開始初始化，設(shè)置節(jié)點地址，再調(diào)用溫濕度采集子程序，然后調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時調(diào)用1602顯示子程序，將當前的數(shù)據(jù)也顯示在從機節(jié)點上。

接收主機部分由無線接收子程序，按鍵掃描程序，12864顯示子程序組成。單片機上電復位，然后各個模塊進行初始化，設(shè)置接收地址，按鍵掃描子程序，接著調(diào)用無線接收子程序，將數(shù)據(jù)接收后，同時將數(shù)據(jù)實時顯示在LCD12864上。

表1 溫度和濕度測試結(jié)果

4 結(jié)論

測量數(shù)據(jù)如表1所示：控制器實際測量溫濕度值與專業(yè)的溫濕度測量工具溫濕度值有一定的偏差，溫度測量精度誤差在0.5℃以內(nèi)，濕度測量精度誤差在2%RH內(nèi)，并且溫度和濕度變化超過設(shè)定值時，執(zhí)行機構(gòu)正常工作，報警電路正常工作；測試結(jié)果表明，筆者設(shè)計的無線溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點與接收主機工作穩(wěn)定，達到了預期的性能指標。實驗表明該系統(tǒng)具有良好的人機界面，操作簡單，維護方便，具有較為廣泛的應用前景。

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