基于無線傳感技術的分布式溫室環境監控系統

劉永健，何業洋，李艷宇，任佳豪，王勇

(安徽工業大學電氣與信息工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

“農業不舉，百業不興”，作為中國國民經濟發展的基礎，農業的重要性不言而喻。改革開放以來，科技推動著現代農業不斷發展，如何在傳統農業生產的基礎上提升農作物的品質和產量，提高生產效率是現代農業面臨的主要問題。設施農業是農業現代化的前提，設施農業是指利用農業生產方法在環境條件可調節控制的半封閉設施中進行農業生產的手段。智能溫室群作為設施農業的重要組成部分，已經廣泛應用在現代農業種植中，是實現高質高效農業生產的途徑之一。先進的技術使溫室種植打破傳統農業在空間和時間上的限制，提高了資源利用率，節約了種植成本[1]。

針對國家對農業經濟的發展要求，我們設計了一種集自動檢測、通信、控制、報警于一身的溫室監控系統。該系統通過MCU的連接與控制，將各種傳感器監測到的數據，實時顯示在各個節點的顯示屏上，并通過無線通信傳送至上位機，以便人們進行實時查看。當環境參數超過設定閾值時，會有相應紅色指示燈亮、蜂鳴器報警以及手機短信通知，從而實現實時處理環境的不規則變化并有效遏制變化因素對農作物的不利影響。

1 系統總體設計方案

系統采用分布式結構，設計了5個位于溫室中不同位置的采樣點，每個監測節點采用MK60FX512VLQ15為控制核心的單片機作為控制器，采用DHT11傳感器采集空氣溫濕度，濕度傳感器采集土壤濕度,CO2濃度傳感器測量空氣中的CO2濃度，硅光電池采集光照強度，每隔5 min對環境參數進行一次采集并顯示在液晶屏上。當環境參數超過設定閾值，各個節點的紅色指示燈亮，蜂鳴器響，手機短信進行通知。系統還通過繼電器控制光源強度、風扇、灑水裝置和CO2產生裝置。同時，系統利用NRF24L01無線模塊，將各節點數據實時上傳到上位機上顯示，以實現溫室空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、CO2濃度的報警及控制，并能靈活根據用戶設置的環境條件要求進行溫室內相關區域的環境參數調節。系統總體設計方案如圖1所示(圖為其中一個節點)。

圖1 系統總體分布方案

2 系統具體設計方案

2.1 主控制器

主控制器是整個系統的核心，進行數據的采集、處理、發送等。為了達到系統實時快速響應的要求，選用MK60FX512VLQ15單片機作為主控制器。MK60FX512VLQ15單片機以高性能的32位嵌入式RISC處理器ARM Cortex-M4為內核。該內核具有門數目少，中斷延遲短，調試成本低的特點，具有快速中斷響應能力，系統頻率高達150 MHz，晶振頻率高達50 MHz，能很好地滿足系統對處理器的要求[2]。

2.2 電源模塊

系統采用飛思卡爾可充電電池(7.2 V)供電，通過降壓穩壓模塊LM2596S降壓至5 V和3.3 V給各功能模塊供電。為防止供電電流不足，分為兩路供電，兩路降壓穩壓，以確保每部分都能正常工作。控制單元通過繼電器與220 V交流電相連，實現低壓控制高壓操作，避免危險發生。電源模塊示意圖如圖2所示。

2.3 環境參數采集

2.3.1 空氣溫濕度采集

DHT11溫濕度傳感器采用串行單線雙向接口，體積小，功耗低，此傳感器為4針單排引腳封裝，引腳說明見表1。該傳感器與MCU的接線方式如圖3所示[3]。

MCU的I/O與DHT11的DATA引腳相連。I/O輸出并保持一定時間(>18 ms)的低電平后,自動變成輸入狀態，由于上拉電阻，I/O口與DATA數據線同時變為高電平，等待DHT11的響應信號。當MCU通過I/O檢測到DHT11為低電平(響應信號)后，等待DHT11發送數據。MCU根據I/O電平變化接收40位數據。數據傳送完成后，DHT11的DATA引腳輸出低電平，然后自動變成輸入狀態，上拉電阻隨之變為高電平，等待下一個外部信號的到來。數據時序圖如圖4所示。

通過DHT11采集的溫濕度數據與設定閾值進行比較，根據比較結果啟動報警模塊。控制流程如圖5所示。

圖2 電源模塊示意圖

表1 DHT11引腳說明

圖3 空氣溫濕度傳感器模塊連接原理圖

圖4 數據時序圖

圖5 DHT11軟件控制流程圖

2.3.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器是一個簡易的水分傳感器，可用于檢測土壤的水分，控制土壤的濕度。它通過電位器調節控制相應閾值，濕度低于設定值時，DO輸出高電平,高于設定值時DO輸出低電平。它內部采用LM393芯片，可使其工作更加穩定。其引腳說明見表2。

設計時，數字量輸出DO可以與MCU直接相連，通過MCU的I/O口來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度；模擬量輸出AO和AD模塊相連，通過AD轉換，可以獲得土壤濕度更精確的數值。

2.3.3 CO2濃度傳感器

CO2濃度傳感器主要由LM393芯片和MG811二氧化碳氣體感應探頭組成。雙路信號輸出，分別TTL 電平輸出的有效信號為低電平(當為模擬量信號輸出及TTL高低電平信號輸出，模擬量輸出電壓0～2 V，濃度越低輸出電壓越高。其引腳說明見表3。

表2 土壤濕度傳感器引腳說明

表3 CO2濃度傳感器引腳說明

檢測氣體濃度超過設定值時，輸出低電平信號，紅色指示燈亮，該口可直接接MCU的 I/O口)。模擬量輸出口AOUT和MCU直接相連，通過自帶的AD轉換模塊，可以獲得更精確的CO2濃度數值。

2.3.4 土壤濕度與空氣中的CO2采集

將模擬量輸出信號口接到一個I/O口上，將模擬信號傳給MCU，通過MCU自身所帶的ADC模塊進行轉換。為得到更準確的土壤濕度和空氣中的CO2濃度數據，在軟件程序上采用平均值濾波，按十位精度采集兩路AD數據，然后每路舍棄最值，再各取平均值得到最終數據。具體的軟件控制如下。

for(i=0;i<2;i++)

{

k = 0;

max=AD[i][0];

min=AD[i][0];

for(j=0;j<10;j++)

{

if(AD[i][j]>max)

max=AD[i][j];

if(AD[i][j]

min=AD[i][j];

k+=AD[i][j];

}

AD[i][9]=(k-max-min)/(8);

}

G_AD_WATER =AD[0][9];

G_AD_CO2=AD[1][9];}

程序中G_AD_WATER為采集的土壤濕度數據，G_AD_CO2為采集的CO2濃度數據。

將實時采集的數據與設定閾值進行比較，一旦出現采集數據比設定閾值大的情況，則報警模塊啟動。具體的軟件控制流程如圖6所示。

圖6 傳感器軟件控制流程圖

2.3.5 光照強度檢測

常見的光照強度檢測一般采用光電二極管或硅光電池。

光電二極管感光面積太小，靈敏度較低，響應時間較長，而硅光電池感光面積大，壽命長，性能穩定，光照強度和光電流線性特性很好。因此，本文選擇硅光電池作為光照強度檢測元件。

因為硅光電池根據光照強度的強弱相應產生大小電流，所以選擇一個1 kΩ電阻與其串聯，將電流特性轉變為電壓特性，這樣在通過模數轉換交由單片機處理。

2.4 短信通知

SIM900A是一個專門為中國大陸市場設計的2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令使用戶能方便使用TCP/IP協議，這在用戶做數據傳輸方向的應用時非常有用。

在本系統中，短信模塊SIM900A作為用戶(手機)與系統的連接橋梁，通過串行接口與MCU相連[4]，用戶(手機)與系統連接示意圖如圖7所示，SIM900A與MCU連接示意圖如圖8所示。

圖7 用戶(手機)與系統的連接示意圖

圖8 SIM900A與MCU連接示意圖

當環境采集模塊采集的參數超過預定閾值，通過MK60FX512VLQ15芯片控制SIM900A模塊發送短信給事先設置好的聯系人進行通知。

2.5 液晶顯示

選用的液晶LCD顯示屏色彩真，而且面積足夠大，能充分顯示出處理的數據。

顯示屏用于顯示溫濕度、CO2濃度、光照強度等環境參數的設定閾值以及實時數據等信息，方便用戶觀察數據。具體的軟件控制如下(以空氣溫度數據顯示為例)。

LCD_FStr_CH(site_tem1, up_down[0], BLUE, WHITE);//顯示“溫”漢字

LCD_FStr_CH(site_tem2, up_down[1], BLUE, WHITE);//顯示“度”漢字

LCD_str(site_tem3, ″=″ , BLUE, WHITE);

LCD_float(site_tem4, F16T, BLUE, WHITE);//空氣溫度數據顯示

程序中LCD_FStr_CH()為漢字顯示函數，LCD_float()為浮點數顯示函數，LCD_str()為字符串顯示函數，site_tem1、site_tem2、site_tem3、site_tem4為坐標信息，up_down[0]、up_down[1]為漢字對應的點陣，BLUE(藍色)、WHITE(白色)為漢字顯示的顏色，F16T為采集的空氣溫度數據。

2.6 無線通信

NRF24L01共有8個引腳，分別是IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE、VCC、GND。其中：IRQ是外部中斷引腳；VCC是3.3 V供電腳(需要用LM2596S降壓到3.3 V)；其余為控制和數據傳輸引腳[5]。NRF24L01主要通過SPI接口與MCU通信。

NRF24L01具有6個通道(通道0至通道5)可以傳輸數據，因此，設置5個采集點，各安裝1個NRF24L01，另外在上位機處也放置1個NRF24L01，用于隨時接收數據，通過串口反饋給上位機。

SPI通信工作在讀狀態時，CSN變低, 從機在主機SCK的頻率下開始傳輸數據。主機MOSI引腳開始發送8 bit的SPI讀命令字，同時從機通過MISO引腳將自己所處的狀態傳輸給主機的STATUS寄存器，當狀態位發送完畢后，主機開始讀取在MISO數據線上的數據。SPI通信讀操作時序圖如圖9所示。

SPI通信中，可以一次讀取或寫入多個字節，順序為低字節在前，高字節在后，每個字節是高位在前，低位在后。

圖9 SPI通信讀操作時序圖

3 控制方案

本系統采用溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、硅光電池采集相應的環境參數，通過液晶屏進行實時顯示，并通過無線通信傳輸至上位機。環境參數至少有一種出現異常時，單片機產生控制信號，一方面啟動報警模塊和短信模塊，蜂鳴器響，紅色指示燈亮，手機短信通知；另一方面使對應繼電器所在的220 V交流電支路導通，從而實現終端負反饋控制：調控光源強度、灑水裝置、CO2產生裝置、風扇等。控制方案具體流程如圖10所示。

圖10 控制方案流程圖

3.1 分布式傳感器網絡的構建

將5個采樣裝置分別放置在溫室的4個角以及中心點，每個采樣點具有圖1所示的各個要素，能夠監測到封閉溫室范圍內的環境參數。

每個采樣點的基本單元為分布在中心位置的報警模塊、液晶屏、短信模塊以及分布在4個角的溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、硅光電池。這樣的分布安排可以保證每個采樣點的周圍環境參數采集的準確性，提高應對局部異常情況的快速反應能力。

從局部到整體，通過各個傳感器的相互聯系與影響構成了分布式的傳感器網絡。

3.2 各傳感器的功能結構

各個傳感器的數據輸出口與MK60FX512VLQ15微處理器的眾多I/O口連接,MCU從采集傳感器處獲得各個環境參數數據，其他傳感器通過接收MCU的指令完成相應的報警、通知用戶、發送數據、顯示數據等功能。各傳感器之間必須保證互不干擾。

3.3 無線通信傳輸采集數據

MCU將獲得的各環境參數數據串行存儲到各個相應的數據數組中，按照軟件設置的發送順序，SPI通信將數據傳送給NRF24L01，再通過串口實時發送到上位機。工作人員能夠實時方便地通過上位機看到各個采樣點反饋的數據。

3.4 閾值判定及其影響

將每次采集到的數據在MCU內部先通過軟件與剛開始設置好的各參數的閾值進行比較，根據比較結果分兩種情況：

第一種情況：當某一數據超過閾值，根據相應的單片機的控制信號，各個執行器實現負反饋作用。MCU會根據支路發出的控制信號(高低電平)，觸發相應硬件連接線路上的繼電器變成通路，繼而通過自動控制過程產生負反饋。同時，報警模塊和短信模塊進入工作狀態，及時通知工作人員。

第二種情況：如果數據都未超過閾值，則一切運轉正常。

4 系統工作性能與運行效果分析

測試一：液晶顯示屏數據顯示。查看液晶顯示屏，能夠看見溫濕度、CO2濃度、光照強度等參數的設定閾值及其相應的實時數據顯示在顯示屏上，并且人為地改變環境參數時，數據往正確的趨勢變化。

測試二：上位機數據顯示。上位機能夠實時顯示環境參數的數據，人為改變環境參數時，數據也在變化。

測試三：環境參數異常。運用控制變量法，人為地控制某單一采集數據超過設定閾值。紅色指示燈亮，蜂鳴器響，報警模塊正常工作；用戶手機收到報警短信，短信模塊正常工作。控制單元中的每個環境參數對應的模型交流燈泡亮(代表實際的工作模型)。

如上所述，本文設計的所有功能均能實現，且工作穩定性很好，系統能夠實現預期效果。

5 系統特色

每個監控節點配備一個液晶顯示屏,這樣方便人員實時監控和了解每個節點的具體情況。5個節點與主機之間全部是通過無線方式發送數據和接收數據，避免了布線的麻煩，同時減少了工作量與應用成本。主機采集到5個節點的數據之后，通過串口通信將數據實時傳送給上位機，實現了數據遠程監控,管理人員只要坐在上位機前就能知道每個節點的具體數據參數。本系統成本低,具有推廣價值和廣闊的市場應用前景。

6 結語

本系統結合當下熱門的物聯網應用技術，通過對無線傳感網絡的分布式結構的架設，構成一個經濟高效的溫室環境監測與控制系統，系統整體運行穩定，對環境變化敏銳，當溫室環境異常時，控制器可有效打開相應執行機構對溫室環境進行調節。對于溫室管理人員，本系統有效減輕了其工作量。此外，傳統人工對溫室環境進行監測的方式具有明顯的滯后性，無法在環境變化的第一時間做出及時處理，從而造成一些不必要的經濟損失。本系統可對數據進行實時顯示，用戶可遠程實時查看系統狀態，做到環境變化實時跟蹤，有效避免不必要的經濟損失。因此本系統具有很高的實用價值。