基于2.4G無線傳輸?shù)臒釒Щɑ墉h(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高家寶++黃建清+孫遜

摘 要：文中采用2.4G無線通信模塊E01-ML01DP5，以STC89C52為微控制器，設(shè)計(jì)了一款無線智能熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且給出了軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。采集節(jié)點(diǎn)以STC89C52為核心，并根據(jù)影響熱帶花卉生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)裝載AM2301溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器，因此采集節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)采集傳輸多種環(huán)境參數(shù)，降低硬件成本。該系統(tǒng)作為E01-ML01DP5模塊在智能熱帶花卉系統(tǒng)方面的一個(gè)典型應(yīng)用，在實(shí)際運(yùn)行過程中也取得了比較滿意的效果。

關(guān)鍵詞：2.4 G無線通信模塊；STC89C52；環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；熱帶花卉

中圖分類號(hào)：S625.5+1；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

隨著國內(nèi)外花卉市場(chǎng)需求量日益增大，尤其是熱帶花卉需求量的增大，海南島發(fā)展熱帶花卉產(chǎn)業(yè)具有廣闊的市場(chǎng)前景[1]。由于設(shè)施花卉[2-5]生產(chǎn)具有高品質(zhì)、高產(chǎn)量、穩(wěn)定生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此在當(dāng)前熱帶花卉栽培中的地位越來越重要。這表明花卉生產(chǎn)已從自然生長(zhǎng)的狀態(tài)進(jìn)入由人工操控的智能化時(shí)代[5，6]。智能熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程獲取熱帶花卉設(shè)施的溫度、濕度及光照強(qiáng)度，為熱帶花卉提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而使經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益最大化[7-10]。綜上所述，研究和實(shí)現(xiàn)一種低成本、智能化、實(shí)時(shí)性的熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要。

本文選擇2.4 G無線通信模塊E01-ML01DP5作為智能熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線通信技術(shù)，在深入研究E01-ML01DP5協(xié)議的基礎(chǔ)上以STC89C52為微控制器，提出了相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱帶花卉環(huán)境的溫度、濕度及光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文以低功耗、高性能8位微處理器STC89C52為核心設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)分為環(huán)境參數(shù)傳感器、LCD液晶屏、各種設(shè)施控制模塊（包括照明燈亮度調(diào)節(jié)、水閘開關(guān)控制、空調(diào)或風(fēng)扇開關(guān)控制）、2.4 G無線通信模塊和STC89C52微處理器5大部分。采集節(jié)點(diǎn)由市電或USB電源供電，環(huán)境參數(shù)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)熱帶花卉環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，2.4 G無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

圖2所示是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)分為L(zhǎng)CD液晶屏、2.4 G無線通信模塊、按鍵模塊和STC89C52微處理器5部分。接收節(jié)點(diǎn)不僅將采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示在LCD屏上，還同時(shí)利用USB串口將這些數(shù)據(jù)同步上傳于PC機(jī)，便于保存和查看，甚至可以制作人機(jī)交互界面。若環(huán)境條件不適于花卉生長(zhǎng)，可通過2.4 G無線通信模塊將按鍵操作轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式送至采集節(jié)點(diǎn)，從而控制設(shè)施更改環(huán)境參數(shù)，并在本地的LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。此外，該模塊由5 V適配電源或USB電源供電。

2 系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 照明燈亮度調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)

合理選用環(huán)境參數(shù)傳感器是設(shè)計(jì)熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要的一環(huán)，為了能夠正常監(jiān)測(cè)熱帶花卉生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，本設(shè)計(jì)采用AM2301數(shù)字式溫濕度傳感器和GY-30光照傳感器，溫濕度傳感器以及光照強(qiáng)度傳感器電路如圖3所示。

AM2301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，輸出數(shù)據(jù)格式為濕度數(shù)據(jù)高位+濕度數(shù)據(jù)低位+溫度數(shù)據(jù)高位+溫度數(shù)據(jù)低位+校驗(yàn)和。AM2301的性能參數(shù)基本滿足熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。此外，選用數(shù)字式溫濕度傳感器可降低設(shè)計(jì)難度，并可利用輸出數(shù)據(jù)中的校驗(yàn)和提高接收數(shù)據(jù)的正確率。

GY-30是一款數(shù)字光強(qiáng)度檢測(cè)模塊，直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜的計(jì)算、標(biāo)定，降低設(shè)計(jì)難度。GY-30的光照強(qiáng)度檢測(cè)范圍基本滿足大部分不同品種的熱帶花卉在不同生長(zhǎng)時(shí)期的需求。GY-30采用I2C協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，因此利用微處理器的I/O管腳模擬I2C接口協(xié)議與GY-30通信完成光照強(qiáng)度參數(shù)的采集。

2.2 功耗檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

該熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸由2.4 G無線通信模塊E01-ML01DP5實(shí)現(xiàn)，功耗檢測(cè)電路如圖4所示。E01-ML01DP5模塊集成了NRF24L01、PA（功放）和LAN（局域網(wǎng)），帶屏蔽罩和外螺紋內(nèi)孔SAM射頻座，通信距離可達(dá)2.1 km，性能較好，傳輸穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性和靈敏度。該無線通信模塊與其它常用無線通信技術(shù)（包括藍(lán)牙技術(shù)、NFC技術(shù)、ZigBee技術(shù)）相比，具有傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾性好兩大優(yōu)點(diǎn)。

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

使用一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302與微處理器89C52相配合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖5所示。DS1302具有SPI三線接口，因此89C52可根據(jù)DS1302的數(shù)據(jù)傳輸格式及時(shí)序使用軟件編程實(shí)現(xiàn)讀寫操作，從而使實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年的功能。避免系統(tǒng)重新上電后手動(dòng)設(shè)置時(shí)間，本設(shè)計(jì)使用的DS1302采用雙電源供電，在系統(tǒng)電源掉電后可切換至備用電源（備用電源由圖5中的P4端口接入）為其供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集及發(fā)送、花卉設(shè)施的控制，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。STC89C52微處理器先進(jìn)行一系列的初始化，其中傳感器、E01-ML01DP5模塊和LCD1602的初始化分別為環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、環(huán)境參數(shù)顯示做準(zhǔn)備。采集節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）通過各種傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)送至LCD1602進(jìn)行顯示；

（2）將每間隔兩分鐘采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式轉(zhuǎn)換后無線傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；

（3）接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制命令調(diào)整風(fēng)機(jī)、照明燈、空調(diào)、除濕機(jī)等花卉設(shè)施的工作狀態(tài)。

該節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)格式為：0x00（起始符）+兩個(gè)字節(jié)（節(jié)點(diǎn)符）+RH+4個(gè)字節(jié)（濕度十位+濕度個(gè)位+濕度小數(shù)位）+TP+4個(gè)字節(jié)（溫度十位+溫度個(gè)位+溫度小數(shù)位）+LT+5個(gè)字節(jié)（光照強(qiáng)度的萬、千、百、十、個(gè)位）+0x55+0x55（結(jié)束符）。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收、處理環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和發(fā)送花卉設(shè)施的控制命令。其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。STC89C52微處理器先進(jìn)行一系列的初始化后，再將環(huán)境參數(shù)接收和換算顯示在液晶屏上，并經(jīng)由串口發(fā)送至PC機(jī)，便于查看和存儲(chǔ)。往后可制作智能化、友好的人機(jī)交互界面。

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

采集節(jié)點(diǎn)上電后正常工作如圖8所示。由于距離光源較遠(yuǎn)，采集到的光照強(qiáng)度僅為85勒克斯，室內(nèi)溫度、濕度分別為31.5℃和44.0%，與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x器儀表所測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差在可接受的范圍內(nèi)。該節(jié)點(diǎn)具有USB供電與市電供電兩種供電方式。經(jīng)驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)在兩種供電方式下均正常工作。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后正常接收采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)如圖9所示。在采集節(jié)點(diǎn)處用手電筒當(dāng)作光源加強(qiáng)光照強(qiáng)度，因此協(xié)調(diào)器接收到的光照強(qiáng)度為161勒克斯，室內(nèi)溫度、濕度分別為31.8℃和43.7%。

通過采集節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)熱帶花卉環(huán)境參數(shù)，并由微處理器處理經(jīng)2.4 G無線射頻模塊將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊，同時(shí)采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的顯示屏同步顯示環(huán)境參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)熱帶花卉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能.

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于2.4 G無線通信模塊的熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠正常接收環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過分析所采集到的數(shù)據(jù)調(diào)控花卉設(shè)施為花卉生長(zhǎng)提供適宜條件，從而達(dá)到該系統(tǒng)的目的。同時(shí)系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的拓展性和靈活性，在往后的設(shè)計(jì)中可加入多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來組成一個(gè)覆蓋范圍較大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的熱帶花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)本次設(shè)計(jì)對(duì)2.4 G無線通信模塊多節(jié)點(diǎn)控制進(jìn)行研究有一定的指導(dǎo)意義。

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