農業生產遠程溫濕度監控系統的研究設計

包　君

(山東交通職業學院，山東 濰坊　261206)

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農業生產遠程溫濕度監控系統的研究設計

包君

(山東交通職業學院，山東 濰坊261206)

摘要：遠程溫濕度監控系統主要應用于農業生產的蔬菜大棚、溫室、酒窖、種子種苗培育室等需要精確控制環境濕度和環境溫度的地方。為此，研究了基于多點溫濕度采集無線監控遠程控制系統，并從系統的硬件結構、工作原理和軟件平臺幾個方面進行論述。在實際的運行中，該系統具有較高的可靠性及擴展性，適合在農業生產中大面積推廣和應用。

關鍵詞：農業生產;溫濕度控制;遠程監控

0引言

傳統的農業生產環境一般都是分散且面積比較大的，如傳統種植對環境的溫濕度要求僅僅源于自然界四季溫濕度變化。這種傳統的種植方式局限于時令蔬菜，而對于反季節蔬菜的種植，就需要能控制溫濕度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫濕度要求非常精確的種苗培育室。傳統的溫濕度控制采用人工控制方式，耗費大量精力和時間，控制的精度反而很低，實時性非常差。比如，在加熱機構出現故障短時間內溫濕度發生劇烈變化時，人工無法及時做出反應，可能會造成嚴重的后果。為此，設計了一種采用多點溫濕度采集、使用無線數傳模塊對溫濕度進行實時監控及通過GPRS模塊將數據發送到遠程客戶端便于統計和集中控制的系統。由于采用無線數傳模塊，可以隨時擴展溫濕度采集節點，僅需要通過更改軟件控制數量即可，并通過軟件程序對環境溫濕度進行實時控制，實現了無人值守及遠程監控。

1系統的硬件設計

本系統主要通過對各個節點溫濕度進行監測，然后通過無線數傳方式將數據傳到主控制模塊，主控制模塊再通過GPRS模塊將數據發送到遠程客戶端中。控制過程可以通過主控制模塊直接控制執行機構工作(如加濕器、暖風機及鼓風機)等工作，也可以直接在遠程客戶端中更改控制策略。各個節點溫濕度監測模塊由AVR單片機、NRF24L01無線數傳模塊、溫濕度采集模塊及報警模塊和電源模塊構成；主控制模塊由AVR單片機、NRF24L01無線數傳模塊、GPRS模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構成。為了節約成本和維護方便，主控制模塊和節點溫濕度監測模塊的控制核心均由AVR單片機ATmega8A構成，系統硬件框圖如圖1所示。

圖1　系統硬件框圖

1.1控制核心ATmega8A單片機

本設計采用ATmega8A單片機，其內部集成了大容量的存儲器，具有豐富的硬件接口，支持SPI、TWI(兼容I2C協議)協議。由于采用TQFP封裝，其功耗和成本大大降低。其片內具有8k字節的FLASH存儲器、512字節EEPROM存儲器和1k字節的片內SRAM存儲器。由于采用先進的RISC架構，在16MHz的工作速度下性能高達16MIPS，支持在系統編程ISP，無需專用高壓編程器，方便在電路板上調試和維護。ATmega8A的最小系統電路原理圖如圖2所示。

1.2溫濕度采集模塊

為了達到一定精度和可靠性，本系統采用獨有的工業化CMOSens技術的SHT1x家族中的SHT11作為溫濕度采集的傳感器。SHT11屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，采用專利的CMOSens技術，將傳感元件和信號處理電路集成在一個微型PCB上，通過14位A/D轉換器將模擬量轉換為數字量(傳感器默認測量分辨率為溫度14位，濕度12位，濕度8位，處理速度提升更加明顯)，可同單片機通信采用標準的I2C協議進行通信，其溫度測量范圍是-40～+123.8℃，默認分辨率是0.01℃；濕度測量范圍是0～100%RH(相對濕度)，默認分辨率是0.03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補償，使測量結果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強等優點。

SHT11采集的溫濕度數據通過I2C協議和AVR的TWI接口通信(見圖3)，將數據保存在AVR單片機的EEPROM里，保證數據在系統掉電和異常情況下不丟失；AVR單片機再將數據整理后通過無線數傳模塊向主控制模塊發送該節點的溫濕度情況。

圖2　帶ISP在系統編程接口的ATmega8A最小系統原理圖

圖3　SHT11與AVR單片機連接電路原理圖

1.3無線數傳模塊

無線通信解決方案有很多種，大型復雜系統可以使用ZigBee技術來實現無線通信，但是結構復雜，路由設置繁瑣，維護不方便；小型系統可以使用無線數傳模塊實現電子設備間的通信，軟件設置簡單，調試方便。本設計中采用NRF24L01無線數傳模塊實現無線通信。

NRF24L01的工作頻段是在2.4GHz的ISM頻段工作的，此頻段是開放的，無需申請許可證即可使用。通過改變天線形式，發射和接收距離可以達到1km甚至更遠，保證了分散式的農業生產正常工作，改善了傳統布線的高成本的問題。由于NRF24L01采用跳頻技術，抗干擾性能良好，特別是它具有6個數據交互式通道，如果只接收不應答，那么這個通道可以擴展到126個之多，滿足本設計中提出的多點通信和擴展的要求，即增加節點模塊只需更改軟件。

NRF24L01和AVR單片機通信(見圖4)采用SPI通訊協議，最高速率可達8Mbps。由于ATmega8A自帶SPI通訊端口，方便通信和連接，硬件可靠性比傳統模擬SPI時序接口要高很多。

圖4　nRF24L01與AVR單片機連接電路原理圖

1.4GPRS模塊

在主控制模塊中還需要配置GPRS模塊與遠程客戶端通信，主要放置在主控制模塊的環境中覆蓋網絡信號，則GPRS模塊即可正常收發數據，實現遠程監控。本設計中使用的GPRS模塊采用Simcom公司的SIM300模塊，使用串口通信方式和AVR單片機連接，方便調試和維護。其外圍電路如圖5所示。

2系統軟件設計

AVR單片機嵌入式系統軟件開發平臺有多種，官方也提供一套免費的AVR Studio集成開發平臺，支持在線硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C語言的開發平臺，本設計中采用CodeVision AVR作為系統軟件設計的開發平臺。

CodeVision AVR編譯器可以使用C編譯器，同時集成IDE的AVR開發平臺，軟件本身在基礎頭文件已經設置好I/O口位操作指令，類似于51單片機的sbit命令，實際使用中非常直觀和方便。

在CodeVision AVR中，提供了非常豐富的庫函數，從基礎的實現隨機數的庫函數到實際應用的SPI接口函數等，代碼精煉效率高，大大減小了系統開發周期，為產品早日上市節省了開發成本。本設計中主要使用CodeVision AVR提供的串行TWI接口函數、SPI接口函數及USART串口函數等實現對各個模塊之間的數據輸入輸出控制。另外，被控對象為遲滯性較大的溫度和濕度，所以要求控制函數中加入PID控制環節對電動機進行控制，調節好各個參數之間關系，使其實時性和可靠性大大增加。

圖5　SIM300外圍電路和SIM卡電路原理圖

2.1AVR單片機TWI串行接口軟件設計

AVR單片機TWI串行接口主要是溫濕度傳感器SHT11數據通信使用的。TWI是一個帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峰抑制單元，可以消除小于50ns的毛刺，可靠性、實時性和執行效率都非常高。由于AVR單片機TWI兼容I2C總線，故本設計中直接對TWI進行操作。程序如下：

#asm

.equ _w1_port=0x15

.que _w1_bit=2

#endasm

/*單總線連接到ATmega8的PORTC口，利用PORTC4、PORTC5口，并且包含1 wire函數*/

#include <1wire.h>

void sht11_init(void)

{

w1_init();//對sht11的SCL和SDA初始化

}

2.2NRF24L01無線數傳模塊的軟件設計

NRF24L01無線數傳模塊和AVR單片機連接采用SPI接口，對其進行操作需要用到的函數包括初始化AVR和NRF24L01連接的I/O端口函數、SPI寫命令函數、SPI讀命令函數、SPI寫入數據函數、FIFO函數、RX模式選擇函數和TX模式選擇函數等。其主要操作流程如圖6所示。

圖6　nRF24L01工作流程圖

3應用實例

本文設計的農業生產遠程溫濕度監控系統主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點使用，選擇150m2的蔬菜大棚設置監控系統作為實驗對象，每25m2設置1個溫濕度監測節點模塊，共設置6個。將主控制模塊放置在距離蔬菜大棚200m的配電室，在距離蔬菜大棚1km外的辦公區建立遠程客戶端。

實地的測試使用中，調節好相應的PID控制參數，設置適合蔬菜培育環境濕度和溫度，設置溫度23℃，空氣相對濕度92%；將各個節點模塊放置在距地面高度為2m左右為宜，經過系統的實時監控，能夠滿足溫度測試誤差±0.5℃、相對濕度測試誤差±3%的要求。同時，遠程客戶端設置修改溫濕度值后，現場系統能夠迅速響應并且無震蕩，可使溫濕度平緩快速地達到設置值。其對于外界的溫濕度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進行人工噴水后，系統監測到環境濕度上升，通過控制策略控制蔬菜大棚整體的濕度平緩而快速地下降到設置值，保證不產生震蕩。

本設計中系統工作在低功耗模式，靜態電流低于7mA，動態發送數據時電流不高于30mA，可以通過市電電源經開關電源變換后進行供電，也可以采用太陽能蓄電池進行供電。如果選擇12V6Ah蓄電池供電，可以連續工作700h以上。

實踐證明：該系統工作穩定可靠、功耗低、維護方便、支持在線調試和無線節點擴展，實際測試中無線誤碼率和丟包率很低，節點模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實用價值和推廣價值。

4結語

本文主要介紹了一種采用無線數傳模塊和GPRS模塊構成的遠程溫濕度監控系統用于農業生產的方案，并從產品成本控制、可靠性、實時性、實用性等幾個方面對系統進行設計和優化，提出了使用AVR單片機作為控制核心、SHT11作為溫濕度傳感器、nRF24L01無線數傳模塊作為無線通信、SIM300模塊作為GPRS模塊與遠程客戶端通信的監控系統。經過實際的應用和測試，該系統工作可靠，便于維護和升級，適應現代化農業生產，具有很好的發展前景。

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Research and Design of Agricultural Production of Remote Monitoring System of Temperature and Humidity

Bao Jun

(Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206,China)

Abstract：The main application of remote monitoring system of temperature and humidity for greenhouse vegetables, greenhouse, agricultural production, seed and seedling cultivation room cellar places need precise control of environmental humidity and ambient temperature. In this paper, the main collection based on wireless remote monitoring control system of multi point temperature and humidity, introduced from the system's hardware structure, working principle and software platform in several aspects, and in the actual operation, has a high scalability, reliability of the system, suitable for agricultural production in the extensive promotion and application.

Key words：agricultural production; temperature and humidity control; remote monitoring

文章編號：1003-188X(2016)02-0197-04

中圖分類號：S625.5

文獻標識碼：A

作者簡介：包君(1979-)，女，黑龍江虎林人，講師，(E-mail)xiaohuione@sohu.com。

基金項目：山東省教育廳高等學校科技計劃項目(J12LB71)

收稿日期：2015-03-11