無線大棚溫濕度監控系統設計

東莞職業技術學院 薛勝朋 胡葉容

人們在農業生產中需要實時的對溫濕度進行測量，因此研究溫濕度的測量方式具有重要的意義。隨著科學技術的不斷發展，溫室大棚農業也慢慢地得到了普及。但是現有的溫室大棚數據采集系統大多數是通過人工值守和有線方式采集。有線數據采集受地理環境的影響較大，大大浪費了資源和降低了效率。

針對現狀，筆者提出了一種可以滿足實際農業生產監控，易擴展且性價比高的無線多路溫濕度監控系統。通過該系統可以對溫室大棚的溫濕度進行實時數據監測，實現自動報警，自動控制。

1 總體設計

系統由兩部分組成：從機節點系統和主機接收系統。從機節點系統由溫濕度傳感器，STC89C52RC單片機，nRF24L01無線收發模塊，LCD1602組成。主機接收系統由按鍵輸入模塊，報警模塊，nRF24L01無線收發模塊以及LCD12864組成。系統總體結構如圖1所示。

節點安裝在大棚各個位置，溫濕度傳感器實時采集數據，單片機進行數據處理，通過無線收發模塊將數據發送至主機接收系統上，同時與用戶設定的溫濕度上限值進行對比，如果超過閥值，則蜂鳴器報警，同時控制溫濕度調節系統的開與閉。主機上的無線收發模塊通過地址來區分各個節點的溫濕度數據，最終將接收到的溫濕度數據實時顯示在主機自帶的LCD12864上。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件結構設計

2.1 溫度傳感器電路

本系統的溫度傳感器選用新一代數字式溫度傳感器DS18B20，其測溫范圍-55～+125℃，最高分辨率可達0.0625℃。它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的A/D轉換器及其它復雜外圍電路的缺點，而且可以通過總線供電，由它組成的溫度測控系統非常方便，成本低。

圖3 無線模塊工作原理圖

圖4 單片機接線圖

濕度傳感器采用數字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的溫濕度傳感和數字模塊采集技術，具有很高的穩定性和可靠性，測量范圍相對濕度20%～90%RH，攝氏溫度0～50℃。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。數據接口采用單線制串行接口，信號傳輸距離可達20m以上。傳感器典型連接方式如圖2所示，電源正與地跟單片機電源正和地相連接，8路數據接口分別接5.1k上拉電阻與單片機P口連接。

圖2 濕度傳感器接口電路

2.2 無線收發模塊

本系統采用2.4GHz無線單片收發芯片nRF24L01，采用FSK調制，可以實現點對點或1對6的無線通信。無線通信速度可以達到2M（bps）。它體積小、功耗低、外設少、速率高，非常適合于無線傳輸應用系統。nRF24L01可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作。STC12C5A60S2單片機集成了SPI控制器，可以非常方便地通過軟件設置，只收到本機地址時才會輸出數據，編程很方便。nRF24L01的連接圖如圖3所示。

2.3 報警控制裝置

報警應用12V有線聲光報警裝置，聲光交替，發聲裝置采用蜂鳴器，以引起注意。控制裝置用于調節溫室的溫度和濕度，主要是排風扇、加熱器、加濕機、干燥機等，這些執行設備一般具有較高的功率，需要專門的驅動電路控制。采用繼電器控制，由單片機I/O口輸出控制信號，經光耦隔離將弱電與強電控制分開，實現前后級電路的電氣隔離，可以提高控制系統抗干擾能力。工作時，單片機的I/0口驅動繼電器，啟動排風扇、加熱器、加濕機、干燥機等執行機構，調節溫室環境溫濕度。

2.4 單片機系統

從機節點和主機接收部分的單片機系統均采用由STC公司生產的STC89C52RC單片機。單片機系統包括晶振、復位、顯示及RS232串行通信等。單片機與PC的串口進行通信，中間需接有電平轉換芯片，該系統采用MAX232電平轉換芯片。溫濕度是一個緩慢變化過程，實時性要求不是很高，因此系統晶振采用11.0592M，為RS232提供準確波特率。復位采用上電自動復位和看門狗復位，提高系統的穩定性，如圖4所示。

3 測試系統軟件設計

系統軟件包括節點和監控中心兩部分節點部分主要由溫度采集子程序，濕度采集子程序，無線發送子程序，1602顯示子程序組成。節點系統上電后，單片機首先復位，接著各個模塊開始初始化，設置節點地址，再調用溫濕度采集子程序，然后調用發送數據子函數，將數據發送出去，同時調用1602顯示子程序，將當前的數據也顯示在從機節點上。

接收主機部分由無線接收子程序，按鍵掃描程序，12864顯示子程序組成。單片機上電復位，然后各個模塊進行初始化，設置接收地址，按鍵掃描子程序，接著調用無線接收子程序，將數據接收后，同時將數據實時顯示在LCD12864上。

表1 溫度和濕度測試結果

4 結論

測量數據如表1所示：控制器實際測量溫濕度值與專業的溫濕度測量工具溫濕度值有一定的偏差，溫度測量精度誤差在0.5℃以內，濕度測量精度誤差在2%RH內，并且溫度和濕度變化超過設定值時，執行機構正常工作，報警電路正常工作；測試結果表明，筆者設計的無線溫室大棚監控系統，節點與接收主機工作穩定，達到了預期的性能指標。實驗表明該系統具有良好的人機界面，操作簡單，維護方便，具有較為廣泛的應用前景。

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