基于無線通信技術的溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

趙志華 段志偉

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

溫室大棚生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)就是對生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進行監(jiān)測和控制，如空氣的溫度、濕度、光強及土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與植物的生長、發(fā)育和能量交換密切相關，進行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化和科學化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育的規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。傳統(tǒng)的溫/濕度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計和濕度計，通過讀取溫度值和濕度值了解溫室的實際溫/濕度，然后根據(jù)現(xiàn)有溫/濕度與額定溫/濕度進行比較，再進行相應的改進措施(通風或灑水)。這些操作都是由人工完成的，耗費了大量的人力和物力。

筆者設計了一套低成本的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器技術和單片機相結(jié)合，由上位機和下位機(都用單片機實現(xiàn))構成，實現(xiàn)溫室大棚溫/濕度的密切監(jiān)測[1]。首先確定了設計的總體結(jié)構，即以3處不同地點的溫室大棚作為采集對象[2,3]，通過傳感器采集溫度、濕度和光強這些參數(shù)；之后由各點的無線系統(tǒng)將所采集到的參數(shù)傳送到接收端，接收端再將數(shù)據(jù)送到PC機從而完成監(jiān)測。

1 總體方案①

計算機控制部分的作用是對溫/濕度和光照強度這3個參數(shù)進行監(jiān)測與存儲，其中較為重要的是實現(xiàn)對現(xiàn)場溫/濕度和光照強度的采集與傳輸，利用RS232連接線與下位機進行通信。該設計是基于VB的多路采集與處理系統(tǒng)，上位機主要是利用VB進行軟件編程，對數(shù)據(jù)進行跟蹤顯示，繪制出溫/濕度變化曲線，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)軟件。利用該軟件可以控制下位機的工作，還可以通過輸入時間參數(shù)對歷史溫度數(shù)據(jù)進行查詢。

單片機部分是進行數(shù)據(jù)采集的核心部分，采用STC89C52作為主控單元。首先是3個采集節(jié)點的單片機對各自的傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到連接上位機的單片機中，也就是接收機。最后接收機通過RS232連接線將這3個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送至上位機。下位機發(fā)送端的結(jié)構如圖1所示。

圖1 下位機發(fā)送端框

綜上所述，本系統(tǒng)大致可分為5部分：計算機對數(shù)據(jù)的顯示與存儲、單片機控制部分、無線模塊部分、傳感器部分和1602、12864顯示部分(圖2)。系統(tǒng)的設計過程主要包括軟件設計和硬件設計兩部分。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構

2 系統(tǒng)的硬件組成

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元由DHT11溫/濕度傳感器和BH1750光照傳感器組成，這兩種傳感器用在發(fā)送端上分別采集溫/濕度和光強參數(shù)，并將參數(shù)傳送到單片機。DHT11數(shù)字溫/濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫/濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫/濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有高的可靠性和長期穩(wěn)定性[4]。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能八位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有響應快、抗干擾能力強及性價比高等優(yōu)點，其電路設計如圖3所示。

圖3 DHT11電路連接

BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠直接輸出一個數(shù)字信號，不需要再做復雜的計算，其電路設計如圖4所示。

圖4 BH1750電路連接

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

STC89C52單片機是目前最常用的單片機之一，此處用作數(shù)據(jù)處理和控制單元。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)處理單元由nRF24L01模塊組成，用在發(fā)送端和接收端，它是一款工作在2.4～2.5GHz范圍內(nèi)，世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其電路設計如圖5所示[5]。

圖5 nRF24L01電路連接

2.4 數(shù)據(jù)顯示單元

數(shù)據(jù)顯示單元由1602字符型液晶和帶中文字庫的12864液晶組成。1602字符型液晶用在發(fā)送端，顯示當前節(jié)點的溫室參數(shù)。12864液晶用在接收端，顯示所有節(jié)點的溫室參數(shù)。1602和12864液晶電路連接如圖6、7所示。

圖6 1602液晶電路連接

圖7 12864液晶電路連接

系統(tǒng)的硬件組成主要包括以上幾個方面，由數(shù)據(jù)采集單元采集到數(shù)據(jù)以后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元進行數(shù)據(jù)處理，再通過無線技術將各點所采集的參數(shù)傳送到接收端，發(fā)送端電路如圖8所示，接收端再將數(shù)據(jù)送到PC機從而完成監(jiān)測，接收端電路如圖9所示。

圖8 發(fā)送端電路

圖9 接收端電路

3 系統(tǒng)軟件

本設計的整體思路是基于nRF24L01具有同時接收多通道的數(shù)據(jù)功能來進行設計的。首先本設計要完成發(fā)送端傳感器對溫/濕度和光照的測量；然后通過nRF24L01無線模塊將參數(shù)發(fā)送到終端，在此基礎上再加入其他兩節(jié)點；最后通過RS232連接線將數(shù)據(jù)傳送到上位機并在上位機進行數(shù)據(jù)的顯示與存儲，從而實現(xiàn)一個無線局域的網(wǎng)絡監(jiān)測。發(fā)送端有3個節(jié)點，每個節(jié)點除了發(fā)送地址和標志位不同，其余都是相同的，因而軟件總設計流程的發(fā)送端不再一一列出，只以其中一個為例(圖10)。

圖10 軟件總設計流程

4 開發(fā)界面設計

系統(tǒng)軟件中共有兩個界面，首先進入的是系統(tǒng)登錄界面。登錄到系統(tǒng)的主界面后，首先要對串口進行設置：上位機與單片機通過RS232總線進行連接，COM口一般選擇COM3，這與計算機的設置有關。串口的設置界面如圖11所示。將串口參數(shù)設置后，開始進行溫室參數(shù)的監(jiān)控。溫室參數(shù)顯示界面如圖12所示。

圖11 串口設置界面

圖12 溫室參數(shù)顯示界面

5 結(jié)束語

筆者在理解溫室監(jiān)測技術的基礎上設計了一種基于無線通信技術的溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，主要是對溫室大棚溫/濕度和光照強度參數(shù)監(jiān)測的研究與設計。首先通過溫/濕度傳感器和光照傳感器采集溫/濕度和光照參數(shù)，再以此為節(jié)點通過無線通信方式將各節(jié)點溫/濕度參數(shù)統(tǒng)一進行監(jiān)測。此系統(tǒng)不但提高了監(jiān)控系統(tǒng)的實時行和有效性，并減少了人工控制測試的溫/濕度誤差大、費時費力及效率低等問題。