溫室中無線環境測控系統的設計

摘要：為了克服溫室測控系統中線路多、布線復雜、維護困難等缺點，設計了一種無線環境測控系統。系統由監測終端和探測節點組成，探測節點可以實現對溫室中溫度、濕度、光照強度和CO2濃度的檢測與采集，并實現信息的無線發射；監測終端接收數據并進行分析處理，顯示環境信息并作出控制。設計的無線環境測控系統將傳感器技術與無線通信技術相結合，工作性能穩定，具有結構簡單、可靠性與可擴展性好、布點靈活等特點，有利于溫室的智能化和統一化管理。

關鍵詞：溫室；傳感器；無線傳輸；單片機

中圖分類號：TP277.2 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2014）04-0356-03

收稿日期：2013-08-22

基金項目：河北省唐山市科技項目（編號：10120201C-7、12140206A-2）；唐山師范學院教改項目（編號：2011001015）。

作者簡介：姜麗飛（1977—），女，河北唐山人，碩士，副教授，主要從事測量與控制方面的教學與研究工作。E-mail：jianglifei1977@163.com。隨著農業產業結構的調整，我國的農業已經逐步擺脫了延續數千年的耕作方式，走上了現代化、設施化的道路。現代化的溫室以其環境可控、易于管理、生產效率高等特點得到了越來越廣泛的應用。無線傳輸技術在工業控制領域的應用不但節約了成本、降低了布線的難度，同時也降低了人工測控的繁瑣，提高了生產及管理效率。本研究設計的溫室中無線環境測控系統能夠做到實時監測溫室中的環境信息并作出相應的控制，從而減輕種植人員的負擔，促進溫室中作物的正常成長。

1系統硬件設計

1.1系統功能設計

本研究設計的無線環境測控系統實現了對溫室中溫度、濕度、光照強度和CO2濃度的檢測，系統由監測終端和探測節點組成。多個探測節點主要完成溫室中環境信息的采集及無線發送，探測節點的組成框架見圖1。監測終端的框架如圖2所示，可以看出監測終端主要由單片機、鍵盤、液晶顯示電路、無線數據收發電路、控制電路和報警電路組成。監測終端具有良好的人機界面，采用C系列液晶顯示器OCM4×8C顯示溫室中當前的空氣溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等參數，系統配有4×4鍵盤，用于輸入控制系統的各參數的預設值。監測終端對接收的數據進行分析后，給出合適的控制信號，經三極管放大后便驅動遮陽網、噴淋裝置和通風裝置，從而實現溫室中溫度、濕度和光照強度等環境因子的自動控制。

1.2系統模塊的電路設計

1.2.1單片機選型本設計采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為控制系統的核心。AT89S52是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 k在系統中可編程的Flash存儲器，與工業89C51產品指令和引腳完全兼容。片上的Flash允許程序存儲器在系統中可編程，也適用于常規編程器，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供了靈活、有效的解決方案[1]。 AT89S52單片機引腳圖如圖3所示[2]。

1.2.2傳感器選擇（1）空氣溫度、濕度的檢測：溫室中溫度、濕度的檢測采用數字傳感器DHT11。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能的8位單片機相連接，因此本產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點；單線制串行接口使系統集成變得簡易快捷；超小的體積、極低的功耗，使其成為最為苛刻的應用場合中的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便[3]，圖4為DHT11與單片機的接線電路圖。

（2）光照度檢測：光照傳感器利用光敏電阻的光敏特性完成對環境中光照強度的判斷。光信號由電阻R1和光敏電阻R2分壓的方式獲得，光敏電阻的一端接地，通過調節R1來調節電壓，使得電阻在不同光照條件下輸出不同的電壓值，進而經AD轉換為數字量。AD7705 是AD 公司新推出的16 位AD 轉換器，器件包括由緩沖器和增益可編程放大器（PGA）組成的前端模擬調節電路，可編程數字濾波器等部件，從而直接將傳感器測量到的多路微小信號進行AD轉換（圖5）。報警電路由蜂鳴器和驅動電路組成，電路簡單實用，功耗低。

（3）CO2濃度檢測：采用紅外CO2傳感器LDC-A1檢測棚內CO2濃度。LDC-A1量程為0～5 000 mg/L，供電電壓 5 V（直流），功耗小于100 mV，該儀器功耗低、防水、抗震動。

1.2.3nRF24L01無線傳輸電路 系統通過無線收發模塊傳輸現場采集的數據，由于系統所處環境較惡劣，因此對數據傳輸的可靠性要求較高。綜合考慮以上因素，本系統采用nRF24L01作為無線數據傳輸模塊。

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片，有6路通道的數據接收，工作電壓為1.9～3.6 V，為低電壓工作；具有自動應答及自動重發功能，具有地址及CRC檢驗功能，數據傳輸率為1 Mb/s或 2 Mb/s，SPI 接口數據速率0～8 Mb/s[4]。

nRF24L01有4種工作模式：即接收模式、發送模式、待機模式和掉電模式，其工作模式由PWR_UP、CE和CS3個引腳決定。其中收發模式有2種，即ShockBurstTM模式和增強型ShockBurstTM模式。在ShockBurstTM模式下，nRF24L01可以與成本較低的低速MCU相連，高速信號處理是由芯片內部的射頻協議進行的。nRF24L01提供的SPI接口數據率取決于單片機本身的接口速度，通過允許與單片機的低速通信和無線部分的高速通信，ShockBurstTM模式減小了通信的平均消耗電流。本系統設計即采用ShockBurstTM模式[5]。

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設計[6]要使單片機穩定可靠地工作，電源必須穩定。220 V電壓經變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經過三端穩壓器LM7805進行穩壓，可以作為單片機AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數據傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設計用LM317制作穩壓電路。電路如圖7所示。

2系統軟件設計

2.1通信協議

對于一個無線監測系統來說，可以接收很多個探測節點的數據，每個從機都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機編號不能重復，以免發生通信沖突。本試驗采用

中斷接收方式接收、發送環境信息，在所有的數據傳送中都用相同的通信協議來判斷通信網絡的結構、自己在網絡中的位置、執行相應的命令，通信協議中的數據幀結構見表2。

監測終端工作在監控狀態下，等待探測節點的數據，接收到的數據如果正確則發送應答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數據錯誤，則丟棄數據，探測節點在規定的時間內收不到應答信號則重新發送。

2.2系統軟件

3結論

（1）用NRF24L01無線數據傳輸模塊實現主從機間的溫濕度數據傳輸，數據傳輸有效距離遠，系統抗干擾效果好；（2）系統帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機交互，方便使

用；（3）本系統將傳感器技術與無線通信技術相結合，具有工作性能穩定、結構簡單、布點靈活等特點，能夠克服溫室測控系統中線路多、布線復雜、維護困難等缺點，有利于蔬菜大棚的智能化和統一化管理；（4）系統可靠性與可擴展性好，做相應的改變即可應用于各種需要環境信息監測的系統中。

參考文獻：

[1]高旭，朱軍 .基于AT89S52單片機的超聲波倒車雷達系統的設計[J]. 電子技術，2010，37（1）：60-61.

[2]余永權. ATMEL89系列單片機應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]倪天龍. 單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2010（6）：60-62.

[4]張崇，于曉琳，劉建平. 單片2.4 GHz無線收發一體芯片nRF2401及其應用[J]. 國外電子元器件，2004（6）：34-36.

[5]劉志平，趙國良. 基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J]. 應用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 電工學[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設計[6]要使單片機穩定可靠地工作，電源必須穩定。220 V電壓經變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經過三端穩壓器LM7805進行穩壓，可以作為單片機AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數據傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設計用LM317制作穩壓電路。電路如圖7所示。

2系統軟件設計

2.1通信協議

對于一個無線監測系統來說，可以接收很多個探測節點的數據，每個從機都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機編號不能重復，以免發生通信沖突。本試驗采用

中斷接收方式接收、發送環境信息，在所有的數據傳送中都用相同的通信協議來判斷通信網絡的結構、自己在網絡中的位置、執行相應的命令，通信協議中的數據幀結構見表2。

監測終端工作在監控狀態下，等待探測節點的數據，接收到的數據如果正確則發送應答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數據錯誤，則丟棄數據，探測節點在規定的時間內收不到應答信號則重新發送。

2.2系統軟件

3結論

（1）用NRF24L01無線數據傳輸模塊實現主從機間的溫濕度數據傳輸，數據傳輸有效距離遠，系統抗干擾效果好；（2）系統帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機交互，方便使

用；（3）本系統將傳感器技術與無線通信技術相結合，具有工作性能穩定、結構簡單、布點靈活等特點，能夠克服溫室測控系統中線路多、布線復雜、維護困難等缺點，有利于蔬菜大棚的智能化和統一化管理；（4）系統可靠性與可擴展性好，做相應的改變即可應用于各種需要環境信息監測的系統中。

參考文獻：

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[5]劉志平，趙國良. 基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J]. 應用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 電工學[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信號引腳有6 個：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引腳功能見表1。圖6為無線模塊與單片機接線的電路圖。

1.2.4電源電路的設計[6]要使單片機穩定可靠地工作，電源必須穩定。220 V電壓經變壓器降壓后，二極管全波整流，電容濾波，經過三端穩壓器LM7805進行穩壓，可以作為單片機AT89S52及LCD顯示電路的電源。由于無線數據傳送模塊對電源的要求為1.9～3.6 V，因此電路設計用LM317制作穩壓電路。電路如圖7所示。

2系統軟件設計

2.1通信協議

對于一個無線監測系統來說，可以接收很多個探測節點的數據，每個從機都不可以隨時更改自己的地址編號，因此需要保證從機編號不能重復，以免發生通信沖突。本試驗采用

中斷接收方式接收、發送環境信息，在所有的數據傳送中都用相同的通信協議來判斷通信網絡的結構、自己在網絡中的位置、執行相應的命令，通信協議中的數據幀結構見表2。

監測終端工作在監控狀態下，等待探測節點的數據，接收到的數據如果正確則發送應答信號，顯示溫濕度、光照信息和CO2濃度；如果接收的數據錯誤，則丟棄數據，探測節點在規定的時間內收不到應答信號則重新發送。

2.2系統軟件

3結論

（1）用NRF24L01無線數據傳輸模塊實現主從機間的溫濕度數據傳輸，數據傳輸有效距離遠，系統抗干擾效果好；（2）系統帶有鍵盤和液晶顯示， 具有良好的人機交互，方便使

用；（3）本系統將傳感器技術與無線通信技術相結合，具有工作性能穩定、結構簡單、布點靈活等特點，能夠克服溫室測控系統中線路多、布線復雜、維護困難等缺點，有利于蔬菜大棚的智能化和統一化管理；（4）系統可靠性與可擴展性好，做相應的改變即可應用于各種需要環境信息監測的系統中。

參考文獻：

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[6]秦曾煌，姜三勇. 電工學[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.