無(wú)線大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 薛勝朋 胡葉容

人們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中需要實(shí)時(shí)的對(duì)溫濕度進(jìn)行測(cè)量，因此研究溫濕度的測(cè)量方式具有重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室大棚農(nóng)業(yè)也慢慢地得到了普及。但是現(xiàn)有的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多數(shù)是通過(guò)人工值守和有線方式采集。有線數(shù)據(jù)采集受地理環(huán)境的影響較大，大大浪費(fèi)了資源和降低了效率。

針對(duì)現(xiàn)狀，筆者提出了一種可以滿足實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控，易擴(kuò)展且性價(jià)比高的無(wú)線多路溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以對(duì)溫室大棚的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)控制。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由兩部分組成：從機(jī)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和主機(jī)接收系統(tǒng)。從機(jī)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)由溫濕度傳感器，STC89C52RC單片機(jī)，nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊，LCD1602組成。主機(jī)接收系統(tǒng)由按鍵輸入模塊，報(bào)警模塊，nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊以及LCD12864組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)安裝在大棚各個(gè)位置，溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)接收系統(tǒng)上，同時(shí)與用戶設(shè)定的溫濕度上限值進(jìn)行對(duì)比，如果超過(guò)閥值，則蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)控制溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)與閉。主機(jī)上的無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)地址來(lái)區(qū)分各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，最終將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在主機(jī)自帶的LCD12864上。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器電路

本系統(tǒng)的溫度傳感器選用新一代數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，其測(cè)溫范圍-55～+125℃，最高分辨率可達(dá)0.0625℃。它具有獨(dú)特的單總線接口方式，即允許在一條信號(hào)線上掛接數(shù)十甚至上百個(gè)數(shù)字式傳感器，從而使測(cè)溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡(jiǎn)單，克服了模擬式傳感器與微機(jī)接口時(shí)需要的A/D轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍電路的缺點(diǎn)，而且可以通過(guò)總線供電，由它組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)非常方便，成本低。

圖3 無(wú)線模塊工作原理圖

圖4 單片機(jī)接線圖

濕度傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專(zhuān)用的溫濕度傳感和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，測(cè)量范圍相對(duì)濕度20%～90%RH，攝氏溫度0～50℃。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。數(shù)據(jù)接口采用單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)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(jī)電源正和地相連接，8路數(shù)據(jù)接口分別接5.1k上拉電阻與單片機(jī)P口連接。

圖2 濕度傳感器接口電路

2.2 無(wú)線收發(fā)模塊

本系統(tǒng)采用2.4GHz無(wú)線單片收發(fā)芯片nRF24L01，采用FSK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或1對(duì)6的無(wú)線通信。無(wú)線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。它體積小、功耗低、外設(shè)少、速率高，非常適合于無(wú)線傳輸應(yīng)用系統(tǒng)。nRF24L01可以由SPI接口與微處理器連接，通過(guò)這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。STC12C5A60S2單片機(jī)集成了SPI控制器，可以非常方便地通過(guò)軟件設(shè)置，只收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，編程很方便。nRF24L01的連接圖如圖3所示。

2.3 報(bào)警控制裝置

報(bào)警應(yīng)用12V有線聲光報(bào)警裝置，聲光交替，發(fā)聲裝置采用蜂鳴器，以引起注意。控制裝置用于調(diào)節(jié)溫室的溫度和濕度，主要是排風(fēng)扇、加熱器、加濕機(jī)、干燥機(jī)等，這些執(zhí)行設(shè)備一般具有較高的功率，需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路控制。采用繼電器控制，由單片機(jī)I/O口輸出控制信號(hào)，經(jīng)光耦隔離將弱電與強(qiáng)電控制分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)電路的電氣隔離，可以提高控制系統(tǒng)抗干擾能力。工作時(shí)，單片機(jī)的I/0口驅(qū)動(dòng)繼電器，啟動(dòng)排風(fēng)扇、加熱器、加濕機(jī)、干燥機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)溫室環(huán)境溫濕度。

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)

從機(jī)節(jié)點(diǎn)和主機(jī)接收部分的單片機(jī)系統(tǒng)均采用由STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)包括晶振、復(fù)位、顯示及RS232串行通信等。單片機(jī)與PC的串口進(jìn)行通信，中間需接有電平轉(zhuǎn)換芯片，該系統(tǒng)采用MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。溫濕度是一個(gè)緩慢變化過(guò)程，實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此系統(tǒng)晶振采用11.0592M，為RS232提供準(zhǔn)確波特率。復(fù)位采用上電自動(dòng)復(fù)位和看門(mén)狗復(fù)位，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖4所示。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心兩部分節(jié)點(diǎn)部分主要由溫度采集子程序，濕度采集子程序，無(wú)線發(fā)送子程序，1602顯示子程序組成。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先復(fù)位，接著各個(gè)模塊開(kāi)始初始化，設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址，再調(diào)用溫濕度采集子程序，然后調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子函數(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時(shí)調(diào)用1602顯示子程序，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)也顯示在從機(jī)節(jié)點(diǎn)上。

接收主機(jī)部分由無(wú)線接收子程序，按鍵掃描程序，12864顯示子程序組成。單片機(jī)上電復(fù)位，然后各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置接收地址，按鍵掃描子程序，接著調(diào)用無(wú)線接收子程序，將數(shù)據(jù)接收后，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD12864上。

表1 溫度和濕度測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：控制器實(shí)際測(cè)量溫濕度值與專(zhuān)業(yè)的溫濕度測(cè)量工具溫濕度值有一定的偏差，溫度測(cè)量精度誤差在0.5℃以內(nèi)，濕度測(cè)量精度誤差在2%RH內(nèi)，并且溫度和濕度變化超過(guò)設(shè)定值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作，報(bào)警電路正常工作；測(cè)試結(jié)果表明，筆者設(shè)計(jì)的無(wú)線溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)與接收主機(jī)工作穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

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