包　君

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊　261206)

?

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計

包君

(山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊261206)

摘要：遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的蔬菜大棚、溫室、酒窖、種子種苗培育室等需要精確控制環(huán)境濕度和環(huán)境溫度的地方。為此，研究了基于多點(diǎn)溫濕度采集無線監(jiān)控遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，并從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理和軟件平臺幾個方面進(jìn)行論述。在實(shí)際的運(yùn)行中，該系統(tǒng)具有較高的可靠性及擴(kuò)展性，適合在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)生產(chǎn);溫濕度控制;遠(yuǎn)程監(jiān)控

0引言

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境一般都是分散且面積比較大的，如傳統(tǒng)種植對環(huán)境的溫濕度要求僅僅源于自然界四季溫濕度變化。這種傳統(tǒng)的種植方式局限于時令蔬菜，而對于反季節(jié)蔬菜的種植，就需要能控制溫濕度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫濕度要求非常精確的種苗培育室。傳統(tǒng)的溫濕度控制采用人工控制方式，耗費(fèi)大量精力和時間，控制的精度反而很低，實(shí)時性非常差。比如，在加熱機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障短時間內(nèi)溫濕度發(fā)生劇烈變化時，人工無法及時做出反應(yīng)，可能會造成嚴(yán)重的后果。為此，設(shè)計了一種采用多點(diǎn)溫濕度采集、使用無線數(shù)傳模塊對溫濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端便于統(tǒng)計和集中控制的系統(tǒng)。由于采用無線數(shù)傳模塊，可以隨時擴(kuò)展溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，僅需要通過更改軟件控制數(shù)量即可，并通過軟件程序?qū)Νh(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)了無人值守及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要通過對各個節(jié)點(diǎn)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，然后通過無線數(shù)傳方式將數(shù)據(jù)傳到主控制模塊，主控制模塊再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端中?？刂七^程可以通過主控制模塊直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作(如加濕器、暖風(fēng)機(jī)及鼓風(fēng)機(jī))等工作，也可以直接在遠(yuǎn)程客戶端中更改控制策略。各個節(jié)點(diǎn)溫濕度監(jiān)測模塊由AVR單片機(jī)、NRF24L01無線數(shù)傳模塊、溫濕度采集模塊及報警模塊和電源模塊構(gòu)成；主控制模塊由AVR單片機(jī)、NRF24L01無線數(shù)傳模塊、GPRS模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構(gòu)成。為了節(jié)約成本和維護(hù)方便，主控制模塊和節(jié)點(diǎn)溫濕度監(jiān)測模塊的控制核心均由AVR單片機(jī)ATmega8A構(gòu)成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件框圖

1.1控制核心ATmega8A單片機(jī)

本設(shè)計采用ATmega8A單片機(jī)，其內(nèi)部集成了大容量的存儲器，具有豐富的硬件接口，支持SPI、TWI(兼容I2C協(xié)議)協(xié)議。由于采用TQFP封裝，其功耗和成本大大降低。其片內(nèi)具有8k字節(jié)的FLASH存儲器、512字節(jié)EEPROM存儲器和1k字節(jié)的片內(nèi)SRAM存儲器。由于采用先進(jìn)的RISC架構(gòu)，在16MHz的工作速度下性能高達(dá)16MIPS，支持在系統(tǒng)編程ISP，無需專用高壓編程器，方便在電路板上調(diào)試和維護(hù)。ATmega8A的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

1.2溫濕度采集模塊

為了達(dá)到一定精度和可靠性，本系統(tǒng)采用獨(dú)有的工業(yè)化CMOSens技術(shù)的SHT1x家族中的SHT11作為溫濕度采集的傳感器。SHT11屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，采用專利的CMOSens技術(shù)，將傳感元件和信號處理電路集成在一個微型PCB上，通過14位A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(傳感器默認(rèn)測量分辨率為溫度14位，濕度12位，濕度8位，處理速度提升更加明顯)，可同單片機(jī)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C協(xié)議進(jìn)行通信，其溫度測量范圍是-40～+123.8℃，默認(rèn)分辨率是0.01℃；濕度測量范圍是0～100%RH(相對濕度)，默認(rèn)分辨率是0.03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補(bǔ)償，使測量結(jié)果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

SHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過I2C協(xié)議和AVR的TWI接口通信(見圖3)，將數(shù)據(jù)保存在AVR單片機(jī)的EEPROM里，保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電和異常情況下不丟失；AVR單片機(jī)再將數(shù)據(jù)整理后通過無線數(shù)傳模塊向主控制模塊發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的溫濕度情況。

圖2　帶ISP在系統(tǒng)編程接口的ATmega8A最小系統(tǒng)原理圖

圖3　SHT11與AVR單片機(jī)連接電路原理圖

1.3無線數(shù)傳模塊

無線通信解決方案有很多種，大型復(fù)雜系統(tǒng)可以使用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，路由設(shè)置繁瑣，維護(hù)不方便；小型系統(tǒng)可以使用無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備間的通信，軟件設(shè)置簡單，調(diào)試方便。本設(shè)計中采用NRF24L01無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。

NRF24L01的工作頻段是在2.4GHz的ISM頻段工作的，此頻段是開放的，無需申請許可證即可使用。通過改變天線形式，發(fā)射和接收距離可以達(dá)到1km甚至更遠(yuǎn)，保證了分散式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常工作，改善了傳統(tǒng)布線的高成本的問題。由于NRF24L01采用跳頻技術(shù)，抗干擾性能良好，特別是它具有6個數(shù)據(jù)交互式通道，如果只接收不應(yīng)答，那么這個通道可以擴(kuò)展到126個之多，滿足本設(shè)計中提出的多點(diǎn)通信和擴(kuò)展的要求，即增加節(jié)點(diǎn)模塊只需更改軟件。

NRF24L01和AVR單片機(jī)通信(見圖4)采用SPI通訊協(xié)議，最高速率可達(dá)8Mbps。由于ATmega8A自帶SPI通訊端口，方便通信和連接，硬件可靠性比傳統(tǒng)模擬SPI時序接口要高很多。

圖4　nRF24L01與AVR單片機(jī)連接電路原理圖

1.4GPRS模塊

在主控制模塊中還需要配置GPRS模塊與遠(yuǎn)程客戶端通信，主要放置在主控制模塊的環(huán)境中覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號，則GPRS模塊即可正常收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計中使用的GPRS模塊采用Simcom公司的SIM300模塊，使用串口通信方式和AVR單片機(jī)連接，方便調(diào)試和維護(hù)。其外圍電路如圖5所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺有多種，官方也提供一套免費(fèi)的AVR Studio集成開發(fā)平臺，支持在線硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C語言的開發(fā)平臺，本設(shè)計中采用CodeVision AVR作為系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)平臺。

CodeVision AVR編譯器可以使用C編譯器，同時集成IDE的AVR開發(fā)平臺，軟件本身在基礎(chǔ)頭文件已經(jīng)設(shè)置好I/O口位操作指令，類似于51單片機(jī)的sbit命令，實(shí)際使用中非常直觀和方便。

在CodeVision AVR中，提供了非常豐富的庫函數(shù)，從基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的庫函數(shù)到實(shí)際應(yīng)用的SPI接口函數(shù)等，代碼精煉效率高，大大減小了系統(tǒng)開發(fā)周期，為產(chǎn)品早日上市節(jié)省了開發(fā)成本。本設(shè)計中主要使用CodeVision AVR提供的串行TWI接口函數(shù)、SPI接口函數(shù)及USART串口函數(shù)等實(shí)現(xiàn)對各個模塊之間的數(shù)據(jù)輸入輸出控制。另外，被控對象為遲滯性較大的溫度和濕度，所以要求控制函數(shù)中加入PID控制環(huán)節(jié)對電動機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)好各個參數(shù)之間關(guān)系，使其實(shí)時性和可靠性大大增加。

圖5　SIM300外圍電路和SIM卡電路原理圖

2.1AVR單片機(jī)TWI串行接口軟件設(shè)計

AVR單片機(jī)TWI串行接口主要是溫濕度傳感器SHT11數(shù)據(jù)通信使用的。TWI是一個帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峰抑制單元，可以消除小于50ns的毛刺，可靠性、實(shí)時性和執(zhí)行效率都非常高。由于AVR單片機(jī)TWI兼容I2C總線，故本設(shè)計中直接對TWI進(jìn)行操作。程序如下：

#asm

.equ _w1_port=0x15

.que _w1_bit=2

#endasm

/*單總線連接到ATmega8的PORTC口，利用PORTC4、PORTC5口，并且包含1 wire函數(shù)*/

#include <1wire.h>

void sht11_init(void)

{

w1_init();//對sht11的SCL和SDA初始化

}

2.2NRF24L01無線數(shù)傳模塊的軟件設(shè)計

NRF24L01無線數(shù)傳模塊和AVR單片機(jī)連接采用SPI接口，對其進(jìn)行操作需要用到的函數(shù)包括初始化AVR和NRF24L01連接的I/O端口函數(shù)、SPI寫命令函數(shù)、SPI讀命令函數(shù)、SPI寫入數(shù)據(jù)函數(shù)、FIFO函數(shù)、RX模式選擇函數(shù)和TX模式選擇函數(shù)等。其主要操作流程如圖6所示。

圖6　nRF24L01工作流程圖

3應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點(diǎn)使用，選擇150m2的蔬菜大棚設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對象，每25m2設(shè)置1個溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊，共設(shè)置6個。將主控制模塊放置在距離蔬菜大棚200m的配電室，在距離蔬菜大棚1km外的辦公區(qū)建立遠(yuǎn)程客戶端。

實(shí)地的測試使用中，調(diào)節(jié)好相應(yīng)的PID控制參數(shù)，設(shè)置適合蔬菜培育環(huán)境濕度和溫度，設(shè)置溫度23℃，空氣相對濕度92%；將各個節(jié)點(diǎn)模塊放置在距地面高度為2m左右為宜，經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，能夠滿足溫度測試誤差±0.5℃、相對濕度測試誤差±3%的要求。同時，遠(yuǎn)程客戶端設(shè)置修改溫濕度值后，現(xiàn)場系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并且無震蕩，可使溫濕度平緩快速地達(dá)到設(shè)置值。其對于外界的溫濕度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進(jìn)行人工噴水后，系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境濕度上升，通過控制策略控制蔬菜大棚整體的濕度平緩而快速地下降到設(shè)置值，保證不產(chǎn)生震蕩。

本設(shè)計中系統(tǒng)工作在低功耗模式，靜態(tài)電流低于7mA，動態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)時電流不高于30mA，可以通過市電電源經(jīng)開關(guān)電源變換后進(jìn)行供電，也可以采用太陽能蓄電池進(jìn)行供電。如果選擇12V6Ah蓄電池供電，可以連續(xù)工作700h以上。

實(shí)踐證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、功耗低、維護(hù)方便、支持在線調(diào)試和無線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，實(shí)際測試中無線誤碼率和丟包率很低，節(jié)點(diǎn)模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實(shí)用價值和推廣價值。

4結(jié)語

本文主要介紹了一種采用無線數(shù)傳模塊和GPRS模塊構(gòu)成的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方案，并從產(chǎn)品成本控制、可靠性、實(shí)時性、實(shí)用性等幾個方面對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，提出了使用AVR單片機(jī)作為控制核心、SHT11作為溫濕度傳感器、nRF24L01無線數(shù)傳模塊作為無線通信、SIM300模塊作為GPRS模塊與遠(yuǎn)程客戶端通信的監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用和測試，該系統(tǒng)工作可靠，便于維護(hù)和升級，適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢夢清,于泓川,蘇中濱.稻田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(12):128-131.

[2]杜云明,蓋麗娜,顏兵兵.基于單片機(jī)的溫室灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(12):88-91.

[3]呂家圣,袁軍.丘陵山區(qū)枇杷園水肥集成自動灌溉控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(2):159-162.

[4]徐志青,韓文霆,張超. 作物需水信息遠(yuǎn)程實(shí)時采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(3):107-112.

[5]黃新劍,朱俊平, 彭黎明.基于ARM 7的農(nóng)業(yè)機(jī)械故障檢測系統(tǒng) [J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(6):229-232.

[6]蔡曉華,陳蕾, 劉俊杰.單片機(jī)控制技術(shù)在谷物干燥水分監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2000(4):106-109.

[7]竟靜靜,曹衛(wèi)彬,楊會民.采棉機(jī)GPS導(dǎo)航監(jiān)控終端軟硬件設(shè)計研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(3):139-144.

[8]胡曉力,田有先.KMDF框架研究與溫室監(jiān)控驅(qū)動開發(fā) [J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(6):246-248.

Research and Design of Agricultural Production of Remote Monitoring System of Temperature and Humidity

Bao Jun

(Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206,China)

Abstract：The main application of remote monitoring system of temperature and humidity for greenhouse vegetables, greenhouse, agricultural production, seed and seedling cultivation room cellar places need precise control of environmental humidity and ambient temperature. In this paper, the main collection based on wireless remote monitoring control system of multi point temperature and humidity, introduced from the system's hardware structure, working principle and software platform in several aspects, and in the actual operation, has a high scalability, reliability of the system, suitable for agricultural production in the extensive promotion and application.

Key words：agricultural production; temperature and humidity control; remote monitoring

文章編號：1003-188X(2016)02-0197-04

中圖分類號：S625.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：包君(1979-)，女，黑龍江虎林人，講師，(E-mail)xiaohuione@sohu.com。

基金項(xiàng)目：山東省教育廳高等學(xué)?？萍加媱濏?xiàng)目(J12LB71)

收稿日期：2015-03-11