基于無(wú)線傳輸?shù)慕笛┣闆r檢測(cè)系統(tǒng)研究

張世杰，趙化啟，溫達(dá)志，向長(zhǎng)勇，徐乾勇，羅 宏 （佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007）

隨著國(guó)際上有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，綠色消費(fèi)觀念深入人心，有機(jī)食品的市場(chǎng)需求與日俱增［1－2］，因此在冬季用蔬菜大棚生產(chǎn)綠色食品顯得尤為重要。但由于近年來(lái)全球氣候變化，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，雪災(zāi)是其中之一，嚴(yán)重的雪災(zāi)會(huì)給農(nóng)林畜牧業(yè)、交通、通訊、建筑等行業(yè)造成極大的危害。在農(nóng)業(yè)上降雪對(duì)蔬菜大棚的影響是不可忽視的，目前的農(nóng)戶只能在降雪過(guò)后對(duì)大棚上的積雪進(jìn)行處理，不能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)降雪量進(jìn)行檢測(cè)，這樣如果降雪量很大就會(huì)很難控制清理積雪的時(shí)間，處理時(shí)間不當(dāng)大棚會(huì)被積雪壓垮，造成很嚴(yán)重的損失，而且影響蔬菜的正常生長(zhǎng)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失［3－4］。因此在大棚的周邊設(shè)置大棚雪情實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)是很有必要的，此系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給農(nóng)戶，用戶根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，防止大棚被積雪壓垮。目前國(guó)內(nèi)測(cè)量積雪厚度的主要方法就是工作人員用量雪尺進(jìn)行人工測(cè)量［5］，不僅麻煩而且不能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此設(shè)計(jì)一款能實(shí)時(shí)測(cè)量大棚積雪厚度的裝置是很有必要的。

1 大棚雪情檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，大棚雪情檢測(cè)系統(tǒng)共有4個(gè)模塊，分別為電源模塊、供熱模塊、發(fā)射模塊、接收模塊。其中電源模塊主要由太陽(yáng)能電池板和調(diào)壓模塊組成，供電模塊主要為CPU供電，其次還提供給供熱模塊，使整個(gè)系統(tǒng)都做到環(huán)保節(jié)能。發(fā)射模塊由單片機(jī)系統(tǒng)Ⅰ、超聲波傳感器和無(wú)線發(fā)射器組成，單片機(jī)Ⅰ將超聲波傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)處理之后利用無(wú)線裝置發(fā)射。接收模塊由單片機(jī)系統(tǒng)Ⅱ和無(wú)線接收器組成，無(wú)線接收器將接收到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)系統(tǒng)Ⅱ，單片機(jī)系統(tǒng)Ⅱ利用一定的算法計(jì)算出精確的值并將這個(gè)值送到上位機(jī)顯示。

1．1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1．1 最小控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STC公司的STC89c52單片機(jī)作為控制器，它擁有8位CPU和可編程Flash儲(chǔ)存器，以及低功耗的空閑和掉電模式，極大地降低了電路的功耗，還包含了定時(shí)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件，其硬件能符合整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲(chǔ)器芯片和定時(shí)器件，方便地構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)［6］。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。硬件原理如圖2所示。圖中主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng);3．3～5．0 V穩(wěn)壓模塊作為無(wú)線模塊的電源;時(shí)鐘振蕩電路用于產(chǎn)生單片機(jī)正常工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，電路由2個(gè)30 pF的瓷片電容和一個(gè)12 MHz的晶振組成，并接入到單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳處，使單片機(jī)工作于內(nèi)部振蕩模式。此電路在加電后延遲大約10 ms振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3 V左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào)，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。電路中2個(gè)電容C1、C2的作用使電路快速起振，提高電路的運(yùn)行速度。

1．1．2 無(wú)線模塊。無(wú)線模塊采用nRF24L01，nRF24L01是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片;它具有極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為－6 dBm時(shí)電流消耗為9．0 mA接收模式時(shí)為12．3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低;工作的環(huán)境溫度可以達(dá)到－40℃，滿足冬季寒冷惡劣的條件;傳輸距離最多能達(dá)到110 m。工作電壓1．9～3．6 V，原理圖中的穩(wěn)壓模塊就是為nRF24L01設(shè)計(jì)的，可以達(dá)到其正常工作電壓，從而正常工作［7］。

1．1．3 超聲波模塊。將超聲波測(cè)雪系統(tǒng)安放在大棚的周邊，超聲波探頭與基準(zhǔn)板間的距離為H，當(dāng)下雪的時(shí)候，超聲波模塊檢測(cè)到信號(hào)，開始進(jìn)行測(cè)量，超聲波遇到積雪表面產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)，由超聲波模塊工作原理（圖3）可知:

式中，h為積雪的厚度;S為兩探頭之間中心距離的1/2;v為超聲波在當(dāng)時(shí)溫度下的傳播速度。由于溫度對(duì)超聲波的傳播速度有一定的影響，考慮到超聲波自帶溫度補(bǔ)償功能，所以有:

式中，T為當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度;t表示超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。

1．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件部分采用C語(yǔ)言編程，C語(yǔ)言既有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn);而且C語(yǔ)言容易植入和更改，適用性強(qiáng)。首先系統(tǒng)上各模塊初始化，然后超聲波模塊開始工作，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)判斷，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式并延時(shí)1 min再次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷;若有雪降落就會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到主單片機(jī)上，為了提高測(cè)量精度，主單片機(jī)每隔1 min向上位機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)并在這1 min內(nèi)對(duì)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均，整個(gè)流程圖思路清晰，有條理且容易調(diào)試和修改。該研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主流程見(jiàn)圖4。

2 系統(tǒng)應(yīng)用研究

表1為2015年3月11日14:49～17:19的一次降雪的測(cè)量，通過(guò)每隔10 min去大棚周邊進(jìn)行人工測(cè)量的數(shù)據(jù)與大棚雪情檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出在這段時(shí)間內(nèi)的16組數(shù)據(jù)。絕對(duì)誤差表示實(shí)際值與測(cè)量值之間誤差的絕對(duì)值，很適合表示測(cè)量值的準(zhǔn)確度。

表1 大棚雪情檢測(cè)數(shù)據(jù)分析 mm

根據(jù)表1測(cè)量結(jié)果得到實(shí)際值與測(cè)量值之間的變化曲線（圖5）。由圖5可知，測(cè)量值始終在實(shí)際值的上下變化，在冬季惡劣的環(huán)境下，風(fēng)速和風(fēng)向都會(huì)有所不同，會(huì)對(duì)浮雪有影響，導(dǎo)致實(shí)際值曲線上下波動(dòng);同時(shí)，溫度和濕度再加上風(fēng)等還會(huì)對(duì)測(cè)量值有一定的影響，導(dǎo)致測(cè)量值的曲線波動(dòng)。系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)3 mm，可見(jiàn)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)很準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

該研究介紹的大棚雪情實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)超聲波模塊和無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了積雪厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸，并經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，且能夠在惡劣的環(huán)境下工作，為農(nóng)戶能夠及時(shí)掌握大棚降雪情況提供了一種有效的解決辦法，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］李曉燕．綠色食品國(guó)際市場(chǎng)分析及前景展望［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2005（1）:6－11．

［2］李一唯．中國(guó)綠色食品產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力實(shí)證分析［J］．對(duì)外經(jīng)貿(mào)，2015（1）:23 －26．

［3］蔣興榮．大棚雪壓的危害及預(yù)防［J］．農(nóng)業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，1988（1）:28－29．

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［5］王道遠(yuǎn)，陳方興．SXH1－1型超聲雪深測(cè)量?jī)x在冬季測(cè)雪中的應(yīng)用［J］．黑龍江科技信息，2012（18）:73

［6］郭天祥．51單片機(jī)C語(yǔ)言教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2009．

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