基于無線傳感器網絡的溫室大棚監控系統的設計

秦芹

摘 要：本文設計了基于無線傳感器網絡和ARM7微控制器芯片的溫室大棚環境參數的信息采集系統。通過在大棚內布置各種傳感器節點，并通過NRF905無線收發芯片，將采集到的信息傳至控制中心，實現了遠程無線監控。本系統具有功耗低、精度高、使用簡單、可擴展性強等優點。

關鍵詞：無線傳感器網絡；ARM7微控制器；低功耗；溫室大棚監控系統

溫室大棚里的環境參數的控制，是農作物正常生長的關鍵因素，直接影響最終的產量高低。傳統的測量溫度、濕度、光照等參數的方法，經過長期使用，暴露出很多缺點。如溫室內的復雜布線及控制設備為農作物的播種、施肥等活動帶來極大不便。隨著網絡技術，尤其是無線傳感器網絡技術的發展，將無線傳感器網絡應用的溫室大棚中，彌補的傳統測量方法的不足，提高了工作效率，同時也可以實現遠程實時監控。

1 系統總體設計

本課題，將無線傳感器網絡應用到溫室大棚的環境監測中，從軟硬件方面都做了系統的設計，并通過proteus仿真軟件驗證了改系統的可行性。圖1是本系統的總體框圖。

主要包含四部分，遠端數據采集與處理模塊、數據接收/發送模塊和上位機控制中心。測量節點由各種傳感器組成，包括溫度、濕度、光照傳感器，用來測量溫室中的各種環境參數；數據處理節點是由微控制器控制信息數據的接收與傳送，一個微控制器能夠控制傳感器的數量有限，所以數據處理節點也需要根據實際需要設置多個；數據接收模塊通過射頻收發器控制數據的接收與發送；上位機控制中心，主要負責信息數據的處理和發送控制信息；通過遠程控制中心，可是實現遠程實時監控。

2 硬件設計

本系統硬件設計需要實現的幾大模塊包括：傳感器的布線、傳感器與微控制器的硬件連接、微控制器與無線通信模塊的硬件連接。

2.1 傳感器與微控制器的硬件連接

本系統中，溫度傳感器采用DS18B20數字溫度傳感器芯片，濕度傳感器采用SHT75數字濕度傳感器，光照傳感器選用BH1750芯片，微控制器選用ARM7系列的LPC2124芯片。

2.1.1 DS18B20與微控制器的硬件連接

DS18B20是由美國DALLAS公司生產，具有體積小、耐磨耐碰、接口電路簡單、價格便宜等特點。DS18B20數字溫度傳感器的供電方式有兩種：一種是寄生電源供電，DS18B20通過與微控制器連接的信號線汲取能量，滿足自身需求，不需外接電源，電路簡單；一種是外部電源供電，即通過外加電源的方法為DS18B20提供正常工作所需的能量，這種電路存在電源及時更換問題和電源壽命問題。本系統采用寄生電源供電，如圖2。與溫度控制器的連接電路如圖3所示。

2.1.2 濕度傳感器SHT75與微控制器的硬件連接電路設計

SHT75數字濕度傳感器是瑞士Secnsirion公司生產，采用了CMOS技術測量精度高、體積小、功耗低等特點。外部引腳非常簡單，分別為GND、VCC、DATA和SCK引腳。與微控制器的連接電路如圖4所示

2.1.3 光照傳感器BH1750與微控制器的硬件連接電路設計

BH1750是一款I2C接口的數字式光照測量傳感器。與微控制器的連接電路如圖5所示。

2.2 微控制器LPC2124與無線收發芯片NFR905的硬件電路設計

NFR905由Nordic公司生產，可工作于433/868/915MHZ3個ISM免費頻段。通過SPI接口與微控制器通信。具有功耗低、傳輸速度快、使用簡單等特點。與微控制器連接的硬件電路如圖6所示。

3 軟件設計

本系統的軟件設計包括：遠程傳輸模塊；無線接收、發送模塊；上位機程序設計模塊。整體框圖如圖6所示。

3.1 測量節點程序設計

3.1.1 讀取溫度信息

微控制器讀取DS18B20測量的溫度信息需要執行兩個工作周期，第一個工作周期內，微控制器向DS18B20發送溫度轉換命令，DS18B20正常工作情況下進行溫度轉換操作；第二個工作周期進行溫度讀取操作。需要注意的是，每個工作周期執行之前，微控制器都要先向DS18B20發送低電平信號，使DS18B20復位，再發送其他指令。由于微控制器的一天I/O線上連有多個DS18B20，因此在設計程序時還要有判斷是讀一個溫度傳感器信息，還是去單條線路上所有溫度傳感器信息。程序流程圖如圖7所示。

3.1.2 讀取濕度信息

微控制器與濕度傳感器SHT75只有兩個引腳相連，因此控制程序也相對簡單。在讀取溫度之前要確保SHT75處于連接狀態，否在先觸發SCK時鐘信號一次，使串口復位。發送讀取數據指令之后，為控制器要反復查詢DATA引腳，直到DATA引腳為低，說明數據傳送完畢，同時讀取兩字節數據。程序流程圖如圖8所示

4 結論

文本針對目前溫室大棚環境控制非自動化，多數還處于人工操作階段等問題，提出并設計了基于無線傳感器網絡的溫室大棚環境監測系統，有效解決了環境數據不能及時獲取、監測系統功耗大、不能進行遠程監控、系統成本高體積大、妨礙農作物生長等問題。但還是存在一些問題，如傳感器節點能量供給問題，傳輸距離短等問題，需要在今后的工作中繼續研究。

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