陳煒明，李水峰，林穎意，魏 梁，鄺文騰

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 廣州510006）

基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

陳煒明1，李水峰2，林穎意1，魏 梁1，鄺文騰1

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 廣州510006）

為了監(jiān)測溫室大棚里的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等參數(shù)，設(shè)計了一套基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；該系統(tǒng)集微控制器技術(shù)、無線通信技術(shù)和智能傳感器技術(shù)于一身，以單片機作為主控模塊，多個傳感器采集溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)，并采用無線射頻模塊，對溫室環(huán)境進行無線實時監(jiān)測，以便農(nóng)業(yè)人員調(diào)節(jié)溫室大棚的環(huán)境；介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，詳細地描述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、傳感器節(jié)點設(shè)計以及軟件的實現(xiàn)，經(jīng)過實際運行測試，該系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速、操作簡單、自動化程度較高、成本低，方便擴展和集中式監(jiān)控的特點，具有十分廣泛應(yīng)用的前景。

溫室大棚；無線通信；數(shù)據(jù)采集；單片機

目前，我國溫室大棚在農(nóng)作物種植應(yīng)用上存在如下問題：大棚內(nèi)的溫濕度等參數(shù)的監(jiān)測大部分依靠人工讀取，自動化程度低；另外，一套溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的價格昂貴、成本太高，不便于推廣應(yīng)用[1-2]。為了解決上述問題，提出了一種基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)實驗表明，本設(shè)計實現(xiàn)了準確地采集溫室大棚中的溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，采用無線通信方式實時傳輸數(shù)據(jù)并在液晶屏上顯示。本系統(tǒng)可滿足農(nóng)業(yè)上對大棚監(jiān)控系統(tǒng)的要求，并具有布線簡單、性價比高，方便擴展和集中式監(jiān)控的特點。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

溫室大棚因為其造價低廉并且設(shè)施簡單，執(zhí)行機構(gòu)僅包含4個裝置（加熱裝置，加濕裝置，通風(fēng)裝置，遮陽裝置），傳感器包括溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器以及光照強度傳感器，該系統(tǒng)硬件模塊主要包括主控模塊、傳感器模塊、無線收發(fā)模塊和執(zhí)行模塊。其中系統(tǒng)的控制方案框圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)框架圖

如圖1所示，本系統(tǒng)為基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，大棚的微控制器采用51單片機系列中的STC89C52。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器[3-5]。一個單片機負責(zé)處理各類傳感器采集到的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無線模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到另外一個單片機上，另外一個單片機收集到數(shù)據(jù)后，會把數(shù)據(jù)在LCD12864液晶屏上顯示出來，并在系統(tǒng)異常的時候啟動執(zhí)行系統(tǒng)。

2 硬件實現(xiàn)

整個系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、傳感器節(jié)點硬件設(shè)計、無線測控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)執(zhí)行模塊四部分。

2.1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點由各種數(shù)據(jù)采集模塊、STC89C52數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊等功能模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；STC89C52數(shù)據(jù)傳輸模塊負責(zé)與路由節(jié)點進行無線數(shù)據(jù)交換、傳輸采集數(shù)據(jù)、接收控制命令。電源模塊采用5 V移動電源提供。LED指示燈表示系統(tǒng)正常工作狀態(tài)。

2.1.1 溫濕度測量電路

為了方便測量溫室大棚內(nèi)的溫濕度，選擇采用溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度復(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)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。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。該傳感器具有性能卓越、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[6-7]。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。其數(shù)據(jù)口連接單片機的P3.7口，溫濕度測量電路如圖2所示。

2.1.2 光照強度測量電路

本系統(tǒng)采用BH1750FVI模塊來測量溫室大棚內(nèi)的光照強度。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用其高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，量程達到了1-v655351x，可對廣泛的亮度進行l(wèi)lx的高精度測定；可直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計算，省略標定，并且具有支持I2C接口，輸入范圍廣和光源依賴性光照強度[8-9]。其測量電路如圖3所示。

2.1.3 二氧化碳濃度測量電路

對于溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，選擇采用MG811傳感器模塊來測量。MG811傳感器對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小。它具有良好的穩(wěn)定性和線性度[10-11]。傳感器采集到的模擬量輸出口，接單片機的IO口，然后通過A/D轉(zhuǎn)換芯片把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本系統(tǒng)采用了ADC0809逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行處理，最后送給單片機。經(jīng)單片機處理后，送給12864液晶屏實時顯示，并對棚內(nèi)風(fēng)扇等進行有效控制。ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成[12]。本系統(tǒng)采用該芯片完成二氧化碳濃度電信號數(shù)據(jù)的處理。圖4給出了其電路圖。

2.2 無線測控網(wǎng)絡(luò)

圖2 溫濕度測量電路

圖3 光照強度測量電路

本系統(tǒng)采用美國TI公司生產(chǎn)的CC1101射頻模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。CC1101是一款低于1GHz、設(shè)計用在極低功耗RF應(yīng)用。其主要針對工業(yè)、科研和醫(yī)療 （ISM）以及短距離無線通信設(shè)備（SRD）。CC1101可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、接收信號強度指示（RSSI）、空閑信道評估（CCA）、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒（WOR）的廣泛硬件支持。CC1101在代碼、封裝和外引腳方面均與CC1100兼容，可用于全球最為常用的開放式低于1GHz頻率的RF設(shè)計。其工作原理：無線模塊CC1101有五種工作狀態(tài)，分別為空閑狀態(tài)、休眠狀態(tài)、接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)和晶振關(guān)閉狀態(tài)。芯片工作狀態(tài)的切換可以通過設(shè)置內(nèi)部寄存器或外部引腳來進行操作。無線模塊CC1101上電后首先會進入休眠狀態(tài)，模塊暫停工作，但芯片內(nèi)部寄存器的值不會丟失。在無線模塊處于休眠狀態(tài)時，可以將引腳CSC拉低，使模塊進入空閑狀態(tài)。當無線模塊進入空閑狀態(tài)后，可以對芯片的寄存器進行讀寫和工作模式的設(shè)置。當內(nèi)部寄存器置位STX位時，晶振啟動，無線模塊CC1101進入發(fā)送狀態(tài)；若置位SRX位時，則無線模塊CC1101進入接收狀態(tài)。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，STC89C52通過SPI接口以較低速率將數(shù)據(jù)寫入無線模塊TX FIFO，寫入完成后啟動射頻電路將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，并清空寄存器TX FIFO。無線模塊接收到數(shù)據(jù)后，停止無線接收并將接收到的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送至單片機STC89C52。由于無線模塊可以進入休眠模式，所以降低了功耗，并且無線模塊CC1101可以自動生成CRC校驗碼和前導(dǎo)碼，降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度[13-15]。

圖4 二氧化碳濃度測量電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：初始化模塊設(shè)計，溫濕度檢測模塊，光照強度檢測模塊，二氧化碳濃度檢測模塊，射頻收發(fā)模塊，LCD12864顯示模塊，執(zhí)行模塊。本系統(tǒng)通過各類傳感器的數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，通過射頻模塊從一個單片機發(fā)送到另一個單片機上，并在LCD12864液晶屏上顯示收集的數(shù)據(jù)。如果采集的參數(shù)結(jié)果超出設(shè)定的標準范圍，執(zhí)行系統(tǒng)就會執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如對應(yīng)的IO口會變成低電平（假如正常時候為高電平），接著相應(yīng)管腳的LED燈會點亮，表示對應(yīng)的參數(shù)出現(xiàn)異常。系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 發(fā)送程序框圖

數(shù)據(jù)發(fā)送及接收正確與否在于射頻收發(fā)芯片CC1101驅(qū)動程序。CC1101提供了一個4線SPI接口（SI，SO，SCLK和CSn）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)兩方面的任務(wù)。這些接口可以同時用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)。SPI接口上所有的地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換被最先在重要的位上處理。SPI接口上的所有處理都包含一個讀/寫位，一個突發(fā)訪問位和一個6位地址的頭字節(jié)一起作用。地址和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時，CSn引腳（低電平有效）必須保持低電平。如果在轉(zhuǎn)換過程中CSn變?yōu)楦唠娖剑瑒t轉(zhuǎn)換取消。當CSn變低，在開始轉(zhuǎn)換頭字節(jié)之前，MCU必須一直等待，直到SO引腳變低。SO變低表明電壓調(diào)制器已達到穩(wěn)定，晶體正在工作中。除非器件處在SLEEP或XOFF狀態(tài)，SO引腳在CSn變低之后總會立即變低[8]。

圖6 接收程序框圖

4 結(jié)束語

文中設(shè)計一種基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為改善我國溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀而提出的，融合了傳感器、智能操控、單片機以及無線通信技術(shù)來實現(xiàn)溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)。系統(tǒng)采用兩個個單片機以及相應(yīng)的外圍擴展器件構(gòu)成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收部分，實現(xiàn)了對溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)的實時無線采集和顯示，并可以自動控制溫室大棚內(nèi)加熱器、日光燈等設(shè)備控制環(huán)境指標保持預(yù)設(shè)值之內(nèi)。系統(tǒng)整體實現(xiàn)了溫室大棚單元內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)的顯示、處理和監(jiān)控等功能。本系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速，操作簡單，自動化程度較高，性價比高，方便擴展和集中式監(jiān)控等特點，可滿足農(nóng)業(yè)上對溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的要求。因此，基于無線通信的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在未來的市場有著非常好的發(fā)展前景。

[1]明鑫.基于ZIGBEE技術(shù)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].廣西大學(xué)，2013.

[2]齊莉.物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能測控系統(tǒng)的特點、優(yōu)勢及其在溫室大棚的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（35530）:18989-18992.

[3]張蓉蓉.基于STC89C52的智能溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計[J].機電信息，2014（40515）:130-131.

[4]周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（38122）:10-13.

[5]龍建明，熊剛，張爭剛，等.基于STC89C52的溫室大棚溫濕度控制器 [J].計算機與現(xiàn)代化，2015（23503）:88-90，95.

[6]韓丹翱，王菲.DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究 [J].電子設(shè)計工程，2013，21（26713）:83-85，88.

[7]沈建明.基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度檢測系統(tǒng)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2013.

[8]云中華，白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（6）:27-29.

[9]王海燕，陳貴斌，熊志成.基于BH1750芯片的智能窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].現(xiàn)代建筑電氣，2015，6（6303）:48-50，63.

[10]陳樹成，楊志勇，王科.基于MG811探頭的二氧化碳采集系統(tǒng)設(shè)計 [J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（15701）:47-50.

[11]趙鵬，單慧勇，戚自雄，等.溫室二氧化碳氣肥補施控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014，52（27910）:7-9.

[12]魯杰爽.基于ADC0809的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計與調(diào)試[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012.

[13]杜泳鋒.基于CC1101的數(shù)字雙工對講機的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[14]魯小龍.基于CC1101的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].上海：東華大學(xué)，2013.

[15]康芳于，李允俊，金華.CC1101的遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計 [J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（17305）:28-31.

Design of greenhouse data acquisition system based on wireless communication

CHEN Wei-ming1，LI Shui-feng2，LIN Ying-yi1，WEI Liang1，KUANG Wen-teng1
（1.School of Materials and Energy， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China；2.Experimental Teaching Center， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

In order to monitor the temperature and humidity，carbon dioxide concentration and light intensity and other parameters in the greenhouse，a greenhouse data acquisition system based on wireless communication is designed.The system integrates the micro controller technology， wireless communication technology and intelligent sensor technology， microcontroller is the main control module，use multiple sensors to collect environmental parameters in the Greenhouse，and use the radio frequency module to monitor the greenhouse environment for wireless real-time，so as to adjust agricultural personnel in the greenhouse environment.It introduces a overall design scheme of the system，the hardware circuit design of the system，the design of the sensor node and the realization of the software are described in detail.After the actual operation test，the system contains the features about rapid response， simple operation， high degree of automation，low cost，convenient extension and centralized monitoring，there is a extremely widespread application prospect.

greenhouse； wireless communication；data acquisition； MCU

TN919.72

A

1674－6236（2017）12-0072-05

2016-05-04稿件編號：201605036

廣東工業(yè)大學(xué)2015年度"本科教學(xué)工程"項目（ZYGX037）；廣東工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（xj201411845155）；廣東工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（yj201511845197）

陳煒明（1993—），男，廣東肇慶人。研究方向：微電子科學(xué)與技術(shù)。