Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

劉學(xué)君，卓思超，戴 波，盧 浩，劉智峰LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng（北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

檢測(cè)與監(jiān)控

多點(diǎn)農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

劉學(xué)君，卓思超，戴 波，盧 浩，劉智峰
LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng
（北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

針對(duì)現(xiàn)有大棚經(jīng)營(yíng)中對(duì)信息獲取及控制方面的需求，以無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)為總思想，將大棚內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集與相關(guān)控制反饋任務(wù)分別分配給系統(tǒng)分節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)了大棚數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，各個(gè)大棚分節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)MSP430G2553為控制核心，借助DHT11數(shù)字溫度傳感器采集濕度信息，而后利用NRF905完成無(wú)線射頻組網(wǎng)通信，最終主節(jié)點(diǎn)通過(guò)R232串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，上位PC機(jī)實(shí)時(shí)得到各個(gè)大棚的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)能下發(fā)卷簾、加熱等指令。

溫室大棚；NRF905；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線通訊

0　引言

近年來(lái)農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)由于其高效性已成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)［1］。介于大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)受到其溫濕度等諸多因素影響，大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)都應(yīng)被及時(shí)監(jiān)控，從而保證作物在最適宜環(huán)境下生長(zhǎng)。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)大棚內(nèi)對(duì)此類參數(shù)的監(jiān)控多依靠人工經(jīng)驗(yàn)［2］此類人工管理存在調(diào)控效果不及時(shí)、調(diào)控精度差、失誤率高等缺點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的智能監(jiān)控，田輝輝、郭佳等人提出借助CAN總線的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)［3，4］，這一有線信息傳輸方式有連接穩(wěn)定、信息交換速率及效率較高的優(yōu)點(diǎn)，然而又有著布線繁瑣、移動(dòng)性差、安裝維護(hù)成本高等諸多問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的智能管理，本文設(shè)計(jì)了基于NRF905的多點(diǎn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)。系統(tǒng)可依靠DHT11數(shù)字溫濕度傳感器完成信息采集，并利用NRF905進(jìn)行無(wú)線射頻通訊，上位機(jī)以MSP430G2553為控制核心，并能通過(guò)串口通訊與PC機(jī)進(jìn)行通訊。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多點(diǎn)農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括上位PC機(jī)，主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成，主節(jié)點(diǎn)借助433MHz的無(wú)線通訊模塊形成星型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部各個(gè)子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)雙向通訊，但是各節(jié)點(diǎn)間互不相通。農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部各區(qū)域的溫濕度數(shù)據(jù)可被子節(jié)點(diǎn)采集，子節(jié)點(diǎn)將溫濕度信息借助NRF905模塊傳輸給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)一方面負(fù)責(zé)匯總子節(jié)點(diǎn)信息并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，此外還負(fù)責(zé)處理來(lái)自上位機(jī)的控制命令，將來(lái)自PC機(jī)的指令下發(fā)給各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度的全局控制。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在通訊鏈路中，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)子節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示和上傳，同時(shí)對(duì)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制命令的下發(fā)等任務(wù)。選用的硬件模塊主要有有微控制器MSP430G2553、無(wú)線收發(fā)模塊nRF905、液晶顯示模塊OLED、鍵盤模塊以及電源模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)該應(yīng)用需求，射頻收發(fā)模塊選擇12dBi高增益天線。

圖1　主節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

對(duì)主節(jié)點(diǎn)控制中心選型時(shí)，選取了TI公司的低功耗16位單片機(jī)MSP430G2553，所具有的16kB閃存和512B 的RAM足夠使用，而且它所具有的低功耗及其他五種節(jié)能模式使得其在1MHz頻率和2.2V電壓條件下的運(yùn)行功耗僅為230μA，待機(jī)狀態(tài)下功耗僅為0.5μA，適應(yīng)我們所需要的節(jié)能屬性。并且內(nèi)置的2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)通用的串行通訊接口也足夠編程所用。

無(wú)線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，采用用挪威Nordic公司的無(wú)線射頻芯片nRF905。一次的數(shù)據(jù)傳輸量最多為32B，最大傳輸速度可達(dá)到100kbps，發(fā)射功率最大可達(dá)10dBm，接收靈敏最大為-100dBm。工作電壓為1.9V～3.6V，此外其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率工作時(shí)，芯片的發(fā)射電流只有11mA，于接收模式運(yùn)行時(shí)的電流為12.5mA。內(nèi)部具有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。由于我國(guó)433MHz頻段可以免費(fèi)使用，所以本系統(tǒng)使用433MHz頻道進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信。nRF905內(nèi)置點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，適用于本系統(tǒng)中心控制模塊和各個(gè)下位機(jī)間的通信。

此外為實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)間的信息交流，需要借助CH340T串口轉(zhuǎn)換器。

為了方便用戶操作及查看相關(guān)信息，我們利用液晶屏來(lái)顯示相關(guān)信息，液晶屏采用OLED12864液晶顯示屏，OLED12864為128×64行點(diǎn)陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊，采用 4.5V～5.5V供電。

2.2子節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境溫、濕度信息的采集以及接收主節(jié)點(diǎn)下發(fā)的控制指令對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制等功能。主要硬件有微控制器MSP430G2553、溫、濕度檢測(cè)模塊DHT11、無(wú)線收發(fā)模塊nRF905、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液晶顯示模塊OLED以及電源模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

溫濕度檢測(cè)模塊在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)檢測(cè)農(nóng)業(yè)大棚中的溫、濕度信息，采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。它與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，工作電壓為3V～5.5V，濕度測(cè)量范圍為20%～90%RH，濕度測(cè)量精度為±5%RH，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，測(cè)溫精度為±2℃，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上，能夠廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

其中DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4毫秒左右，芯片有專用的通信協(xié)議，可通過(guò)軟件測(cè)量高電平時(shí)間來(lái)確定數(shù)據(jù)，最終接收數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。執(zhí)行裝置有卷簾機(jī)的三相交流電機(jī)，電加熱棒、繼電器、通風(fēng)口的直流電機(jī)。子節(jié)點(diǎn)根據(jù)來(lái)自上位PC機(jī)的指令控制相應(yīng)的繼電器和接觸器的通斷，進(jìn)而控制相應(yīng)的執(zhí)行裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚中溫濕度的調(diào)節(jié)。接觸器的控制電路如圖3所示。

圖3　接觸器控制電路圖

3　通信協(xié)議

通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。通信協(xié)議設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，也是通信可靠性的保證。

主節(jié)點(diǎn)與上位PC機(jī)串口通信設(shè)定協(xié)議，如表1～表2所示。

本系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)與各通信子節(jié)點(diǎn)之間需構(gòu)成完整的通訊網(wǎng)絡(luò)以保證射頻通信的可靠性，nRF90芯片本身不帶組網(wǎng)協(xié)議，為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了nRF905通信協(xié)議，如表3～表6所示。

表1　上位PC機(jī)向主節(jié)點(diǎn)下傳控制指令協(xié)議（總長(zhǎng)度8個(gè)字節(jié)）

表2　主節(jié)點(diǎn)向上位PC機(jī)上傳數(shù)據(jù)協(xié)議（總長(zhǎng)度12個(gè)字節(jié)）

表3　子節(jié)點(diǎn)上傳主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)協(xié)議（總長(zhǎng)度16個(gè)字節(jié)）

表4　子節(jié)點(diǎn)上傳主節(jié)點(diǎn)ACK

表5　主節(jié)點(diǎn)下傳子節(jié)點(diǎn)控制指令

表6　主節(jié)點(diǎn)下傳子節(jié)點(diǎn)ACK

本系統(tǒng)是一個(gè)主節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)全網(wǎng)廣播的功能，為各個(gè)子節(jié)點(diǎn)都定義了相同的物理地址0XE7。但為了區(qū)分各個(gè)子節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層為每個(gè)子節(jié)點(diǎn)分配了唯一的IP地址，主節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)該地址來(lái)判斷接收到的數(shù)據(jù)是哪個(gè)子節(jié)點(diǎn)上傳來(lái)的。子節(jié)點(diǎn)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)判斷主節(jié)點(diǎn)下發(fā)的控制指令是不是給自己的，如果不是則不接收。

若出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸因干擾發(fā)出錯(cuò)誤或是現(xiàn)場(chǎng)停電等狀況，主節(jié)點(diǎn)則不能接收到回傳的應(yīng)答信息，為保證通信可靠，本系統(tǒng)在主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)通信時(shí)設(shè)定了數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制［8］。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)收到子節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)時(shí)需要及時(shí)回復(fù)給子節(jié)點(diǎn)一個(gè)ACK應(yīng)答信號(hào)，子節(jié)點(diǎn)收到ACK表明數(shù)據(jù)上傳完成，否則進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)，直到收到ACK為止。同樣當(dāng)子節(jié)點(diǎn)收到主節(jié)點(diǎn)下發(fā)的控制指令時(shí)也會(huì)回復(fù)給主節(jié)點(diǎn)一個(gè)ACK，主節(jié)點(diǎn)以此信號(hào)來(lái)判斷子節(jié)點(diǎn)收到控制指令，若沒有則重發(fā)，但在5s后主節(jié)點(diǎn)仍沒有收到ACK，則認(rèn)為本次控制指令發(fā)送失敗，主節(jié)點(diǎn)認(rèn)為該子節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)，并反饋給上位PC機(jī)。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1上位PC機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位PC機(jī)主程序主要完成各個(gè)子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收、分析及存儲(chǔ)。如果數(shù)據(jù)在設(shè)定的范圍之外，則下達(dá)控制指令，對(duì)相應(yīng)農(nóng)業(yè)大棚中執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

4.2主節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)主程序主要完成定時(shí)接收各子節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)且進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并與上位PC機(jī)進(jìn)行串行通信，當(dāng)上位PC機(jī)下發(fā)控制指令時(shí)將指令下發(fā)給相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)，它是上位PC機(jī)與子節(jié)點(diǎn)之間的紐帶。主節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖4所示。

主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)間借助NRF905模塊進(jìn)行通訊，在NRF905處于接收模式時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存并發(fā)送返回ACK，若切換到下發(fā)指令模式時(shí)則定時(shí)下發(fā)控制指令到對(duì)應(yīng)子節(jié)點(diǎn)，直到接收返回ACK后切換回接收模式。

4.3子節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集農(nóng)業(yè)大棚中的溫濕度信息，并將這些數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的控制命令，并根據(jù)這些命令控制相應(yīng)執(zhí)行裝置。子節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖5所示。

4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4　主節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

圖5　子節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)方案的正確性，本實(shí)驗(yàn)包括10個(gè)子節(jié)點(diǎn)，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和1個(gè)上位PC機(jī)。每路子節(jié)點(diǎn)按順序進(jìn)行IP地址編號(hào)，每路子節(jié)點(diǎn)接一路DHT11溫濕度傳感器，和四路繼電器、接觸器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別控制開簾，閉簾，加熱和通風(fēng)。上位PC機(jī)采用串口與主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，主節(jié)點(diǎn)采用無(wú)線傳輸與各個(gè)子節(jié)點(diǎn)通信。通信距離空曠場(chǎng)地約為400米。改變?nèi)魏我粋€(gè)子節(jié)點(diǎn)的溫濕度，經(jīng)過(guò)約2秒鐘左右，主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)能接收到任何子節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新。上位PC機(jī)發(fā)出控制指令，下位機(jī)在1S內(nèi)，子節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，可以忽略該時(shí)延。該系統(tǒng)連續(xù)工作24個(gè)小時(shí)，采樣控制運(yùn)行正常，具備可靠穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是以MSP430單片機(jī)為核心，結(jié)合NRF905無(wú)線通信設(shè)計(jì)了多點(diǎn)農(nóng)業(yè)大棚無(wú)線數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)農(nóng)業(yè)大棚中溫濕度信息的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并完成開閉簾、加熱、通風(fēng)等的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該方案運(yùn)行良好，可靠性高，很好地解決了大棚蔬菜種植中的許多實(shí)際問(wèn)題。參考文獻(xiàn)：

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TP23

A

1009-0134（2016）08-0045-05

2016-03-08

北京市自然科學(xué)基金（13000031019）；北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（15032221001/006）；北京石油化工學(xué)院科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（15031862005/052）；北京石油化工學(xué)院優(yōu)秀青年教師和管理骨干培育計(jì)劃項(xiàng)目（08031862008/040）；北京市教育委員會(huì)市屬高校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（2016014222000041）2015年北京市大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃深化項(xiàng)目（16032082003/005）；2015年北京高等學(xué)校高水平人才交叉培養(yǎng)畢業(yè)設(shè)計(jì)（創(chuàng)業(yè)類）支持計(jì)劃項(xiàng)目

劉學(xué)君（1977 -），男，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楣馔ㄐ藕蛦纹瑱C(jī)開發(fā)等。