基于ATmega16的無線溫濕度監控系統設計

鄭祥明

基于ATmega16的無線溫濕度監控系統設計

鄭祥明

（亳州學院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

提出一種基于ATmega16的溫濕度監控系統設計方案，該系統利用數字溫度傳感器、土壤濕度傳感器將現場的溫濕度數據實時采集并通過nRF24L01無線收發模塊發送給控制端對數據進行分析處理進而研究溫濕度對亳芍生長周期的影響，以期能為溫濕度的相關研究提供參考.

ATmega16；nRF24L01；溫度；土壤濕度

四大藥都之首安徽亳州，位于安徽省西北部，有“中華藥都”之稱.亳州市中藥材種植品種多，種植面積達4.3 ha萬畝，其中白芍占全國總產量的60%.白芍又名亳芍，是一種保健食品，亦可作藥用，一般適宜生長在排水良好的沙質土壤中，亳芍植株在生長過程中受光照、溫度和土壤濕度等環境條件影響［1］.目前，亳州地區的芍藥仍然以大田種植為主，極易受干旱、洪澇等自然災害影響.傳統的種植技術主要依靠種植戶根據自己的經驗對亳芍的生長過程進行監管，但是種植戶的技術參差不齊，很難及時應對種植過程中遇到的問題.如何利用現代電子技術和控制技術有效地對亳芍等藥用作物的生長和質量等進行監控是種植戶和制藥企業關注的焦點.針對這些問題筆者提出一種基于ATmega16和nRF24L01的溫濕度監控系統設計方案，該系統利用溫度傳感器、土壤濕度傳感器將現場的溫濕度數據采集，通過nRF24L01無線收發模塊發送給控制端對數據進行分析處理進而研究溫濕度對亳芍生長周期的影響，具有一定的實用價值和實踐意義.

1系統整體方案設計

系統分為主機系統和從機系統兩大部分，由ATmega16微處理器模塊、溫濕度傳感器模塊、液晶顯示設備和無線數據傳輸模塊等組成（見圖1）.

主機系統主要由ATmega16單片機最小系統、nRF24L01無線通訊模塊、LCD1602液晶顯示器、報警模塊等組成（見圖1（a））.主機系統的功能是：利用nRF24L01無線通訊模塊接收從機系統采集到的溫濕度等實時數據，對數據信息進行處理和存儲.若接收的數據超出了系統設定的正常范圍則發出命令，控制相應從機繼電器模塊進行給排水調節土壤濕度.如果接收的數據中存在異常數據時立即發出警報，并通過液晶顯示從機序號，提示工作人員及時排除故障.

從機系統由若干個從機組成，每個從機均包含ATmega16單片機最小系統、溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、nRF24L01無線通訊模塊和控制模塊等（見圖1（b））.從機系統的功能是：采集監測點環境中的溫濕度等實時數據，并將相應的從機序號及數據信息通過nRF24L01無線通訊模塊發送給主機，當溫度或濕度超出了系統設定的正常范圍，或某一從機發送了異常數據，則主機發送相應調節命令通過從機繼電器模塊調整該監測點環境中的土壤濕度參數.

圖1系統結構框圖

2系統硬件電路設計

2.1系統電路原理圖設計

系統選用的控制器是ATMEL公司挪威設計中心推出的基于增強的AVR RISC結構的8位低功耗微處理器ATmega16，是整個系統的控制核心［2］.外圍電路有電源電路、時鐘電路、復位電路、溫度采集電路、土壤濕度采集電路、無線傳輸模塊電路和液晶顯示電路等組成（見圖2）［3］.

圖2系統電路原理圖

2.2溫度傳感器模塊

從機系統的溫度檢測采用的是Dallas半導體公司的單總線數字化溫度傳感器DS18B20，可以直接將檢測的溫度轉換為數字量.測溫范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內精度高達±0.5℃，同時單總線的數字方式傳輸大大提高了系統的抗干擾性.每片DS18B20都有唯一的片序列號，可以將多個DS18B20同時連接在一根總線上，單片機通過指令匹配可讀取任意一個DS18B20的溫度，利用這一特性就可以把DS18B20傳感器放在不同的地方，進行多點測溫［4］.

2.3土壤濕度傳感器模塊

從機系統采用的是內部集成了高精度比較器LM393的FC-28土壤濕度傳感器模塊，該模塊具有寬范圍檢測土壤濕度的功能.傳感器檢測表面通過鍍鎳處理，既加寬了感應面積，提高了導電性能，又可以防止長期與土壤接觸生銹的問題.

在使用過程中，用戶有兩種方案可供選擇：一是可以調節濕度傳感器的電位器設定亳芍生長適宜的濕度值，把模塊數字量輸出線與ATmega16單片機接口直接連接，單片機通過檢測高低電平（當濕度低于設定值時，單片機檢測到高電平1，當高于設定值時，單片機檢測到低電平0）檢測土壤濕度，此方案可調性較差；二是將模塊的模擬量輸出線與ATmega16單片機PA7口直接連接，通過ATmega16內部集成的10位A/D轉換器處理后將土壤濕度值直觀的顯示出來，同時也方便用戶設定亳芍適宜生長的土壤濕度范圍.本系統選用的是后者，土壤濕度傳感器模塊接線情況見表1.

表1 FC-28土壤濕度傳感器模塊接線說明（4線制）

表2nRF24L01接線及引腳使用說明

2.4LCD1602液晶顯示器

系統選用的是字符型液晶模塊LCD1602顯示溫度和土壤濕度數據.LCD1602的控制端口RS、R/W和E分別接ATmega16的PA0、PA1和PA2，數據端口D0-D7接PC口，VEE接電位器可以調節液晶的背光等.通過單片機控制LCD1602可以方便的顯示16列×2行各種字母、數字和符號等，完全可以滿足系統顯示溫度和濕度數據的需要.

2.5nRF24L01無線通訊模塊

nRF24L01是一款工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段的GFSK單收發芯片，具有126個可選工作頻道，頻道切換時間很短，可應用跳頻技術降低同頻段其他設備的干擾.內部集成了Enhanced Short Burst協議，可以實現點對點或1點對多點的無線通信，具有自動應答及自動重發功能，提高了系統數據傳輸的效率和準確性且功耗極低［5］.根據設計要求，將nRF24L01無線傳輸模塊的8個引腳分別與系統連接，通過軟件可以配置nRF24L01為發送模式、接收模式、待機模式和掉電模式等，接線情況及引腳功能見表2.

2.6控制報警模塊

大田種植的環境溫度主要取決氣候變化影響，本系統設計當土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度超出設定的正常溫度范圍時，系統一方面通過相應從機的PD7引腳輸出低電平控制蜂鳴器發出警報聲，另一方面通過相應從機的PD6引腳控制繼電器模塊進行給排水調節.

3系統軟件設計

系統的通信系統采用的nRF24L01通訊模塊是半雙工通信方式，即數據的發送和接收不能同步進行，系統軟件設計時要重點考慮主機和從機無線通信時序配置［6］.

3.1從機系統軟件設計

從機系統軟件設計的核心是實時監控現場的溫濕度信息，通過nRF24L01無線通訊方式把從機序號及數據信息發送給主機分析處理及存儲.軟件設計流程為，首先對系統初始化（包括18B20初始化、濕度傳感器初始化和nRF24L01初始化等），由PD0口和PA7口分別讀取數字溫度傳感器DS18B20的數值和土壤濕度傳感器輸出的數據.然后配置nRF24L01為發送模式即設置PRIM_RX寄存器為低，設置CE為低電平進入待機模式，設置和主機使用相同的地址寬度、頻道及數據傳輸率（1 Mbit/s）等，最后設置PB0輸出高電平設置CE為高，開始發送數據，若主機未收到應答信號則應用跳頻技術（FHSS）切換到下一個頻率重新發送［7］.當主機發出調整指令，從機配置為接收模式，接收主機的指令并控制繼電器模塊對土壤濕度進行給排水調節，從機流程圖見圖3.

3.2主機系統軟件設計

主機系統軟件的核心是接收從機采集的溫濕度數據處理、存儲并向從機發送相應的調整指令.軟件設計流程為：首先對系統初始化（包括nRF24L01初始化和液晶顯示初始化等），然后配置nRF24L01為接收模式即設置PRIM_RX寄存器為高，設置CE為低電平進入待機模式，設置和從機使用相同的地址寬度、頻道及數據傳輸率（1 Mbit/s）等，最后設置PB0輸出高電平設置CE為高，開始接收數據.對接收到的數據進行處理，當采集到的數據超出了設定的正常范圍則蜂鳴器報警，并把主機設置為發送模式向相應從機發出調整指令，主機流程圖見圖4.

圖3從機軟件流程圖

圖4主機軟件流程圖

4結語

系統采用ATmega16微處理器作為控制芯片，以nRF24L01無線通訊方式將現場從機采集到的實時數據傳送給控制端主機端，有效的解決了復雜環境下有線通訊的不足.系統測試結果表明：該系統在可200~500 m范圍內實現主機和從機信息的有效傳輸，可以滿足小型亳芍試驗田或溫室大棚的溫濕度監控.同時，系統還可以增加上位機和視頻監控等模塊進一步完善，通過數據和視頻更直觀的監控亳芍的生長過程，以期為亳芍的種植研究提供技術支持，為設施農業在中藥材種植領域的應用提供參考［8］.

［1］屈敏.關于亳芍栽培與應用技術的探討[J].農業科學，2016（5）：56.

［2］馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］陳中，顧春雷，沈翠鳳.基于AVR單片機的控制系統設計[M].北京：清華大學出版社，2016.

［4］陳中，朱代忠.基于STC89C52單片機的控制系統設計[M].北京：清華大學出版社，2016.

［5］王曉燕，丁啟勝.基于WSN和LabVIEW技術的火災監測系統設計[J].儀器儀表與傳感器，2012（7）：35-41.

［6］王峰，邢磊，史星晟，等.基于nRF24L01的無線無線通信系統設計[J].應用技術，2011（7）：88-97.

［7］郝威，楊露菁.跳頻技術的發展及其干擾對策[J].艦船電子對抗，2004（8）：7-12.

［8］杜艷艷.國內外設施農業技術研究進展與發展趨勢[J].廣東農業科學，2010（4）：346-368.

On the Design of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ATmega16

ZHENG Xiang-ming
（Department of Electronics and Information Engineering，Bozhou University，Bozhou 236800，Anhui，China）

This paper introduces a design scheme of temperature and humidity monitoring system based on ATmega16.The system uses the temperature sensor and soil moisture sensor to collect the temperature and humidity data in real time and send it to the control end through the nRF24L01 wireless transceiver module.This method has reference value and practical significance to study the effect of temperature and humidity on the growth cycle of Paeonialactiflora pall.

ATmega16；nRF24L01；temperature；soil moisture

TP368.1%

A%%%

1007-5348（2017）03-0052-05

（責任編輯：歐愷）

2016-12-16

安徽省教育廳教學名師工作室（2014msgzs170）；亳州師專科研項目（BSKY201424）；亳州學院創客實驗室項目（2016cksy02）.

鄭祥明（1988-），男，安徽蚌埠人，亳州學院電子與信息工程系講師，碩士研究生；研究方向：嵌入式系統開發及應用.