基于GSM和NRF24L01的無線溫室環境監測系統

牛萍娟+張浩偉+田海濤

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.050[HT9.]

摘要：設計一種植物工廠環境監測系統。采用AT89C52單片機完成采集終端設計，通過NRF24L01無線模塊將采集到的環境參數傳輸到接收端，在接收端液晶顯示屏實時顯示，并通過RS232總線與PC機通信，定義通信協議，采用VC 6.0開發上位機界面，通過全球移動通信系統（GSM）模塊實現環境參數的無線傳輸，隨時隨地獲取植物工廠環境參數。利用該系統對植物工廠環境進行檢測，用戶可以根據植物生長的需要，選取適當的控制參數，實現對植物工廠的環境管理。

關鍵詞：溫室；環境監測；GSM；無線采集

中圖分類號： TP274文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0181-04[HS）][HT9.SS]

[HJ1.4mm]

收稿日期：2016-03-17

基金項目：[JP2]2014年國家級中小企業創新項目（編號：14C2621120031）。[JP]

作者簡介：牛萍娟（1973—），女，河北石家莊人，博士，教授，主要從事新型半導體發光器件、LED驅動電路和半導體照明應用系統等方面的研究。E-mail：niupingjuan@tjpu.edu.cn。

通信作者：張浩偉，碩士研究生，主要從事半導體照明智能控制研究。E-mail：15620528009@163.com。[HJ]

[ZK）]

溫室栽培最早起源于我國，在2 000多年前就能夠利用保護措施種植多種蔬菜[1]，至20世紀60年代，我國的設施農業始終處于小規模、低水平、發展速度緩慢的狀態[2]。20世紀70年代初地膜覆蓋技術引入我國，80年代初期出現了塑料大棚和日光溫室[3]，很多溫室大棚以人力監視為主，溫室環境的各項參數是否符合植物生長全憑工作人員的工作經驗去判斷，造成大部分溫室的生產率、效益低下。

近幾年，隨著科學技術的不斷發展，植物工廠應運而生，植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統[4]，系統利用計算機對植物栽培的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物栽培不受或很少受自然條件制約的省力型生產。董喬雪等開發的溫室計算機分布式自動控制系統實現了溫室內溫度分段精確控制[5]；李莉等設計的基于藍牙技術的溫室環境監控系統，實現了無線溫室環境信息采集[6]；王榮輝等開發了由W78E58B單片機及WMMOD2B GSM模塊構成的溫室生態健康系統，實現了環境參數的短信通知，方便了用戶對溫室環境的及時控制[7]；何世鈞等設計了一種智能溫室控制系統，較好地實現了對溫度、濕度、CO2濃度等外界環境的控制，為作物創造出適宜的生長環境[8]。

我國植物工廠建設起步晚，技術也相對落后，如何準確地獲取植物生長所需的光照度、CO2濃度、溫度、濕度等參數，并實現自動化控制，對提高我國溫室生產水平有著重要的意義[9-11]。傳統的溫室環境監測系統大部分是有線方式，布線繁瑣，不利于布局和維護。因此，本研究利用單片機、NRF24L01無線模塊、GSM模塊等設計了一種無線的植物工廠環境監測系統。

1系統整體設計

本研究的系統主要由采集端、接收端、上位機模塊3個部分組成，系統的總體框架如圖1所示。

采集端主要由溫濕度傳感器、光照傳感器、無線發送模塊、電源模塊、GSM模塊等組成，用于采集溫室內的環境參數，并通過無線模塊發送出去，當溫度、濕度低于或高于設定值時就發出警報，并通過GSM模塊通知用戶。

接收端主要由無線接收模塊、電源模塊、12864液晶顯示模塊、RS232模塊等組成，用于接收采集端傳來的數據并顯示，且實現與電腦的通信。

上位機主要由手機和電腦組成，電腦用于顯示接收端傳來的數據，并可以發出控制指令實現對下位機的管理；手機用于接收采集端GSM模塊傳來的環境參數和報警信息，實現遠程環境參數的獲取。

2硬件部分設計

系統選用AT89C52為主控芯片，該芯片是一款低電壓、高性能的8位微處理器，具有4 K字節的flash存儲器，多達32個I/O口，可循環擦除1 000多次，數據可保存10年左右。很多工業級產品都采用該控制芯片。

系統主要包括溫度采集模塊、光照度采集模塊、無線收發模塊、繼電器模塊、液晶顯示模塊等，各模塊分別與主控芯片直接或間接地連接在一起，完成系統相應的功能。

2.1溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器選用DHT11，該傳感器是一款應用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，含有標準校驗功能，標準系數以程序的形式存儲于動態口令（OTP）內存中，使該傳感器具有很高的可靠性和穩定性；DHT11與微處理器采用單總線數據格式通信，占用I/O資源少，每次通信時間約為0.004 s，處理速度較快，1次完整的數據輸出為40 bit，其測量范圍廣、精度高，滿足本系統的測量任務，其與微控制單元（MCU）的連接如圖2所示。[FL）]

2.2光照度采集模塊

光照度采集模塊選用數字光強檢測模塊GY-30，該芯片內置16 bit AD轉換器，可以省去復雜的計算，直接輸出數字。測量范圍廣，工作電壓3～5 V，可直接與單片機I/O口連接，滿足本系統的測量任務。

2.3無線收發模塊

系統選用NRF24L01無線收發模塊，該模塊工作在2.4 G全球開放ISM頻段，免費許可使用；支持6通道數據接收和125個頻點，可以實現多點數據采集；工作電壓在1.9～3.6 V之間，可以和一些單片機直接相連；在空中的傳輸速率高達 2 Mbit/s，傳輸速率較高，減少了傳輸中的碰撞現象。endprint

2.4GSM模塊

GSM模塊選用SIM900，該模塊功耗低、支持RS232和TTL接口控制，與PC機、單片機連接較方便。此模塊通過串口與單片機連接，實時地傳輸采集的環境參數，當環境溫度、濕度、光照度低于或高于設定值時，向用戶發送報警信息。

2.5液晶顯示模塊

液晶顯示是控制器人機交互的重要部件，用于實時顯示采集的溫度、濕度、光照度等環境參數，當無線連接不穩定時會提示故障信息。本系統選用12864液晶屏作為顯示窗口，該顯示器顯示分辨率為128×64，具有藍光背光。顯示器帶有中文字庫，能夠顯示數字、字母、漢字等，具有4行/8行并行，2線或3線串行多種接口方式。本系統采用8位并行接入微處理器，并串聯1個電位器用于調節顯示器的亮度。

2.6繼電器模塊

本系統采用12 V、10 A的超大功率繼電器，繼電器模塊用于控制加濕器、加熱器、風扇等電器設備，單片機通過控制繼電器來實現各種電器設備的開關。

2.7按鍵電路

按鍵電路采用4×4的矩陣鍵盤電路，是用戶與采集端控制器交互的直接工具，按鍵電路主要用于設置用戶電話號碼和不同植物的溫濕度閾值。其中，1個系統復位按鍵、1個參數確定按鍵、10個數字鍵用于設定用戶信息，另外4個按鍵用于設定溫度、濕度閾值。

2.8硬件電路設計

系統的硬件電路設計采用Altium Designer 09軟件，部分控制電路原理如圖3所示。硬件電路設計包括采集端電路設計和接收端電路設計，兩部分均采用單片機做主控芯片，其中單片機的時鐘頻率為11.0 592 MHz。在采集端電路設計時，溫濕度傳感器DHT11的數據口與單片機的P20接口電氣連接，光照傳感器的時鐘引腳和數據引腳分別和單片機的P10、P11口連接，用于采集環境參數。無線發射模塊NRF24L01各引腳分別與單片機的P12～P17接口連接，控制環境參數的數據發送。GSM模塊的引腳與單片機的TX和RX引腳連接，實現報警和移動端接收采集數據的功能。在接收端電路設計中，無線接收模塊NRF24L01各個引腳與單片機的連接同采集端一樣，液晶顯示器12864控制端口RS、RW、EN分別和單片機的IO口P05、P06、P07連接，數據端口和單片機的P20～P27端口連接，用于接收發送端傳來的數據并在液晶顯示屏顯示。單片機的P10～P14分別于繼電器控制接口相連，用于控制各個電器設備。

3軟件部分設計

軟件部分的設計是整個系統設計的重中之重，包括采集端軟件設計、接收端軟件設計、上位機軟件設計3個部分。

3.1采集端軟件設計

采集端軟件設計主要用于控制溫濕度傳感器、光照傳感器等采集環境參數，通過NRF24L01無線模塊傳輸采集數據，通過GSM模塊傳輸采集數據和發送報警信息。編程采用模塊化的思想，將各個模塊分開編程，最后整合到一起，這樣便于調試和調用。采集端軟件設計流程如圖4所示。

采集端系統通電后，對系統進行初始化，通過傳感器獲取環境因子，在主函數中對無線模塊進行初始化，設定NRF24L01為發送模式，并調用溫濕度獲取程序和光照度獲取程序，獲得環境參數，將發送的數據放置到寄存器內，等待發送，當發送命令到來時，將寄存器內的數據發送出去；設定GSM模式， 使其能夠打電話或發短信， 將采集的環境參數分別放置到指定的數組內，判斷環境參數的數值，若超過或低于設定的閾值，就發出警報并打電話通知用戶，且以短信的形式發送當前溫室內的環境參數。

發送端程序的難點主要在控制NRF24L01發送模塊，設置NRF24L01為發送數據步驟如下：（1）確定采集端身份地址，寫身份地址到寄存器TX_ADD；

（2）為實現應答信號接收，寫通道0接收地址到寄存器RX_ADDR_P0；

（3）設置模塊為自動應答允許；

（4）設置模塊0通道允許接收；

（5）配置系統自動重發次數；

（6）選擇模塊通信頻道；

（7）配置模塊發射功率、數據傳輸速率等發射參數；

（8）設置通道0有效的數據寬度，即要傳送數據包需要的長度；

（9）配置寄存器CONFIG到發送模塊；

（10）將想要發送的數據寫入到發送緩沖寄存器內；

（11）將CE位置“1”，進入發送狀態。

3.2接收端軟件設計

接收端軟件主要用于控制單片機接收環境參數，通過液晶屏顯示環境參數，并將接收的數據通過RS232串口傳輸給PC機，接收PC機發出的控制信號。當接收到PC機傳來的打開電機信號時，通過I/O口控制繼電器打開電機進行通風；當PC機發送加水命令時，通過單片機控制器控制水泵加水；當PC機發送加濕命令時，通過控制繼電器打開加濕器進行加濕。接收端軟件設計如圖5所示。

接收端系統通電后，首先對系統進行初始化，然后初始化無線模塊NRF24L01，設定該無線模塊為接收模式，接收發送端傳來的數據。初始化LCD液晶顯示器，控制液晶屏顯示溫室內環境因子數據，初始化串口，實現單片機和PC機雙向通信。[JP]

3.3上位機軟件設計

植物工廠關鍵技術在于環境因子的實時采集和控制，設計一款友好的上位機界面，用于實時顯示采集數據，基于控制需要，上位機界面包括控制區域和數據顯示區域2個部分。控制區用于向PC機發送控制命令，數據顯示區用于顯示環境因子。上位機設計流程如圖6所示。

端口參數設置采用VC提供的MSComm（Microsoft communication control）控件，利用該控件可以方便、快捷地實現串口通信。本系統選用波特率9 600、8位數據位、無奇偶校驗、1位停止位，無流控制[12-13]。由于采集到的數據是一連串的字符串發送的，為了使數據分開，在采集端發送數據時每個數據的結尾添加特定的字符，上位機處理數據時使用分割函數通過區分特定的字符把數據分開放置到指定的編輯框內。endprint

選用RS232與PC機進行通信，RS232通信距離大約 20 m，誤碼率低。采用基于對話框的方式，在對話框中添加MSComm控件，然后添加靜態文本框、編輯框、按鈕等控件，調整各個控件，使界面美觀，為各個控件添加處理程序，使其能夠完成相應的功能。

4系統測試

4.1無線收發模塊可靠性測試

為檢測無線收發模塊的可靠性[14-15]，在天津工業大學植物照明實驗室內進行測試試驗，將采集端設備節點放置在植物照明實驗室內距離地面1.5 m處，將接收端設備節點放置在隔壁的研究室內，兩者相距約10 m，每隔1 s采集端發送1次采集數據，記錄1 min內接收端接收的數據個數。結果顯示，1 min內收到數據個數為58，丟包率較低。

4.2系統功能測試

在采集端通過按鍵電路設定好用戶手機號碼，接收端接收采集端數據并在液晶屏上顯示，通過手機接收采集的溫度、濕度、光照度數據；當溫濕度高于或低于設定值時，發送報警信息給用戶。在上位機界面顯示數據區域內看到的植物環境溫度、濕度、光照度參數，在控制區域內通過打開升溫按鈕控制單片機驅動繼電器打開加熱器開關，升高室內溫度；點擊打開降溫按鈕，打開風扇進行降溫；點擊加濕按鈕，打開加濕器對空氣進行加濕，打開水泵按鈕就能夠對植物進行加水。

上位機的主界面如圖7。

[JP2]本系統采集的數據穩定性好、可靠性強，且系統的可控性好。在VC軟件中，通過CFile函數，每隔一段時間將編輯框內的數據保存到PC機中的dat.txt文件中，然后通過Matlab軟件提取dat.txt中的數據并畫成實時曲線（圖8），方便記錄觀察。[JP][FL）]

[FK（W19][TPNPJ8.tif；S+3mm][FK）]

[FL（2K2]5結束語

本研究利用單片機、NRF24L01無線模塊、GSM模塊等設計了一款植物工廠環境監測系統，該系統具有結構簡單、安裝方便、價格便宜等特點。為測試該系統的可靠性，對環境進行24 h監測，結果表明，該系統無線接收模塊可以較好地收、發數據，丟包率低、穩定性高，具有一定的使用價值，且為溫室的自動化控制技術提供了理論依據。

參考文獻：

[1][ZK（#]陳國輝，郭艷玲，宋文龍. 溫室發展現狀及我國溫室需要解決的主要問題[J]. 林業機械與木工設備，2004，32（2）：11-12.

[2]張曉文. 設施農業的發展現狀與展望[J]. 農機推廣與安全，2006（11）：6-8.

[3]葛志軍，傅理[XCZ110.tif；%88%88]. 國內外溫室產業發展現狀與研究進展[J]. 安徽農業科學，2008，36（35）：15751-15753.[ZK）][HT][HJ][HT][FL）][LM]

[KH*4D]

[HT8.]

[4][ZK（#]魏靈玲，楊其長，劉水麗. LED在植物工廠中的研究現狀與應用前景[J]. 中國農學通報，2007，23（11）：408-411.

[5]董喬雪，王一鳴. 溫室計算機分布式自動控制系統的開發[J]. 農業工程學報，2002，18（4）：94-97.

[6]李莉，劉剛. 基于藍牙技術的溫室環境監測系統設計[J]. 農業機械學報，2006，37（10）：97-100.

[7]王榮輝，沈佐銳. 基于短信息的溫室生態健康呼叫系統[J]. 農業工程學報，2004，20（3）：226-228.

[8]何世鈞，張路，張弛，等. 智能溫室自動控制系統的設計與應用[J]. 河南農業大學學報，2000，34（4）：399-401.

[9]李慧，劉毅. 溫室控制技術的發展方向[J]. 林業機械與木工設備，2004，32（5）：4-7.[ZK）]

[10][ZK（#]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等. 中國溫室環境控制硬件系統研究進展[J]. 農業工程學報，2004，20（1）：7-12.

[11]于海業，馬成林，陳曉光. 發達國家溫室設施自動化研究的現狀[J]. 農業工程學報，1997，13（增刊1）：260-264.

[12]曹衛彬. 虛擬儀器典型測控系統編程實踐[M]. 北京：電子工業出版社，2012.

[13]王多輝，毛罕平，謝明崗.植物工廠自動控制系統軟件設計[J]. 江蘇理工大學學報（自然科學版），1997，18（4）：7-11.

[14]楊瑋，呂科，張棟，等. 基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發[J]. 農業工程學報，2010，26（3）：198-202.

[15]艾海波，魏晉宏，邱權，等. 微型植物工廠智能控制系統[J]. 農業機械學報，2013，44（增刊2）：198-204.endprint