基于無線通信技術的溫室環境參數監測系統

趙志華 段志偉

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

溫室大棚生產中的重要環節就是對生產環境的一些重要參數進行監測和控制，如空氣的溫度、濕度、光強及土壤的含水量等。在農業種植問題中，溫室環境與植物的生長、發育和能量交換密切相關，進行環境測控是實現溫室生產管理自動化和科學化的基本保證，通過對監測數據的分析，結合作物生長發育的規律，控制環境條件，使作物達到優質、高產、高效的栽培目的。傳統的溫/濕度控制是在溫室大棚內部懸掛溫度計和濕度計，通過讀取溫度值和濕度值了解溫室的實際溫/濕度，然后根據現有溫/濕度與額定溫/濕度進行比較，再進行相應的改進措施(通風或灑水)。這些操作都是由人工完成的，耗費了大量的人力和物力。

筆者設計了一套低成本的測控系統，該系統采用傳感器技術和單片機相結合，由上位機和下位機(都用單片機實現)構成，實現溫室大棚溫/濕度的密切監測[1]。首先確定了設計的總體結構，即以3處不同地點的溫室大棚作為采集對象[2,3]，通過傳感器采集溫度、濕度和光強這些參數；之后由各點的無線系統將所采集到的參數傳送到接收端，接收端再將數據送到PC機從而完成監測。

1 總體方案①

計算機控制部分的作用是對溫/濕度和光照強度這3個參數進行監測與存儲，其中較為重要的是實現對現場溫/濕度和光照強度的采集與傳輸，利用RS232連接線與下位機進行通信。該設計是基于VB的多路采集與處理系統，上位機主要是利用VB進行軟件編程，對數據進行跟蹤顯示，繪制出溫/濕度變化曲線，并將數據存儲到數據庫中的系統軟件。利用該軟件可以控制下位機的工作，還可以通過輸入時間參數對歷史溫度數據進行查詢。

單片機部分是進行數據采集的核心部分，采用STC89C52作為主控單元。首先是3個采集節點的單片機對各自的傳感器發送的數據進行處理，然后將處理后的數據通過無線模塊發送到連接上位機的單片機中，也就是接收機。最后接收機通過RS232連接線將這3個節點的數據傳送至上位機。下位機發送端的結構如圖1所示。

圖1 下位機發送端框

綜上所述，本系統大致可分為5部分：計算機對數據的顯示與存儲、單片機控制部分、無線模塊部分、傳感器部分和1602、12864顯示部分(圖2)。系統的設計過程主要包括軟件設計和硬件設計兩部分。

圖2 系統結構

2 系統的硬件組成

2.1 數據采集單元

數據采集單元由DHT11溫/濕度傳感器和BH1750光照傳感器組成，這兩種傳感器用在發送端上分別采集溫/濕度和光強參數，并將參數傳送到單片機。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，確保產品具有高的可靠性和長期穩定性[4]。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能八位單片機相連接。因此該產品具有響應快、抗干擾能力強及性價比高等優點，其電路設計如圖3所示。

圖3 DHT11電路連接

BH1750環境光傳感器內置16位模數轉換器，能夠直接輸出一個數字信號，不需要再做復雜的計算，其電路設計如圖4所示。

圖4 BH1750電路連接

2.2 數據處理單元

STC89C52單片機是目前最常用的單片機之一，此處用作數據處理和控制單元。

2.3 數據傳輸單元

數據處理單元由nRF24L01模塊組成，用在發送端和接收端，它是一款工作在2.4～2.5GHz范圍內，世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片，其電路設計如圖5所示[5]。

圖5 nRF24L01電路連接

2.4 數據顯示單元

數據顯示單元由1602字符型液晶和帶中文字庫的12864液晶組成。1602字符型液晶用在發送端，顯示當前節點的溫室參數。12864液晶用在接收端，顯示所有節點的溫室參數。1602和12864液晶電路連接如圖6、7所示。

圖6 1602液晶電路連接

圖7 12864液晶電路連接

系統的硬件組成主要包括以上幾個方面，由數據采集單元采集到數據以后，經數據處理單元進行數據處理，再通過無線技術將各點所采集的參數傳送到接收端，發送端電路如圖8所示，接收端再將數據送到PC機從而完成監測，接收端電路如圖9所示。

圖8 發送端電路

圖9 接收端電路

3 系統軟件

本設計的整體思路是基于nRF24L01具有同時接收多通道的數據功能來進行設計的。首先本設計要完成發送端傳感器對溫/濕度和光照的測量；然后通過nRF24L01無線模塊將參數發送到終端，在此基礎上再加入其他兩節點；最后通過RS232連接線將數據傳送到上位機并在上位機進行數據的顯示與存儲，從而實現一個無線局域的網絡監測。發送端有3個節點，每個節點除了發送地址和標志位不同，其余都是相同的，因而軟件總設計流程的發送端不再一一列出，只以其中一個為例(圖10)。

圖10 軟件總設計流程

4 開發界面設計

系統軟件中共有兩個界面，首先進入的是系統登錄界面。登錄到系統的主界面后，首先要對串口進行設置：上位機與單片機通過RS232總線進行連接，COM口一般選擇COM3，這與計算機的設置有關。串口的設置界面如圖11所示。將串口參數設置后，開始進行溫室參數的監控。溫室參數顯示界面如圖12所示。

圖11 串口設置界面

圖12 溫室參數顯示界面

5 結束語

筆者在理解溫室監測技術的基礎上設計了一種基于無線通信技術的溫室環境參數監測系統，主要是對溫室大棚溫/濕度和光照強度參數監測的研究與設計。首先通過溫/濕度傳感器和光照傳感器采集溫/濕度和光照參數，再以此為節點通過無線通信方式將各節點溫/濕度參數統一進行監測。此系統不但提高了監控系統的實時行和有效性，并減少了人工控制測試的溫/濕度誤差大、費時費力及效率低等問題。