多點農業大棚無線數據采集與遠程控制系統

Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

劉學君，卓思超，戴 波，盧 浩，劉智峰LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng（北京石油化工學院，北京 102617）

檢測與監控

多點農業大棚無線數據采集與遠程控制系統

Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

劉學君，卓思超，戴 波，盧 浩，劉智峰
LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng
（北京石油化工學院，北京 102617）

針對現有大棚經營中對信息獲取及控制方面的需求，以無線數據收發為總思想，將大棚內部數據的采集與相關控制反饋任務分別分配給系統分節點與主節點，從而設計了大棚數據采集與遠程監控系統，各個大棚分節點以單片機MSP430G2553為控制核心，借助DHT11數字溫度傳感器采集濕度信息，而后利用NRF905完成無線射頻組網通信，最終主節點通過R232串口與PC機進行通信，上位PC機實時得到各個大棚的監測數據，同時能下發卷簾、加熱等指令。

溫室大棚；NRF905；數據采集；無線通訊

0　引言

近年來農業大棚生產由于其高效性已成為世界農業發展趨勢［1］。介于大棚內農作物生長受到其溫濕度等諸多因素影響，大棚內的溫濕度參數都應被及時監控，從而保證作物在最適宜環境下生長。長期以來我國大棚內對此類參數的監控多依靠人工經驗［2］此類人工管理存在調控效果不及時、調控精度差、失誤率高等缺點，為了實現對農業大棚的智能監控，田輝輝、郭佳等人提出借助CAN總線的農業環境監控系統［3，4］，這一有線信息傳輸方式有連接穩定、信息交換速率及效率較高的優點，然而又有著布線繁瑣、移動性差、安裝維護成本高等諸多問題。

為實現對農業大棚的智能管理，本文設計了基于NRF905的多點無線數據采集與遠程通訊系統。系統可依靠DHT11數字溫濕度傳感器完成信息采集，并利用NRF905進行無線射頻通訊，上位機以MSP430G2553為控制核心，并能通過串口通訊與PC機進行通訊。

1　系統總體設計

多點農業大棚無線數據采集及遠程監控系統包括上位PC機，主節點和多個子節點組成，主節點借助433MHz的無線通訊模塊形成星型的無線網絡。內部各個子節點與主節點雙向通訊，但是各節點間互不相通。農業大棚內部各區域的溫濕度數據可被子節點采集，子節點將溫濕度信息借助NRF905模塊傳輸給主節點，主節點及上位機一方面負責匯總子節點信息并對相關數據進行顯示，此外還負責處理來自上位機的控制命令，將來自PC機的指令下發給各個子節點，實現對農業大棚溫濕度的全局控制。

2　系統硬件設計

2.1主節點硬件設計

在通訊鏈路中，主節點負責對子節點傳送來的數據信息進行顯示和上傳，同時對子節點進行控制命令的下發等任務。選用的硬件模塊主要有有微控制器MSP430G2553、無線收發模塊nRF905、液晶顯示模塊OLED、鍵盤模塊以及電源模塊等，其硬件結構如圖1所示。根據該應用需求，射頻收發模塊選擇12dBi高增益天線。

圖1　主節點硬件結構圖

對主節點控制中心選型時，選取了TI公司的低功耗16位單片機MSP430G2553，所具有的16kB閃存和512B 的RAM足夠使用，而且它所具有的低功耗及其他五種節能模式使得其在1MHz頻率和2.2V電壓條件下的運行功耗僅為230μA，待機狀態下功耗僅為0.5μA，適應我們所需要的節能屬性。并且內置的2個16位定時器、1個通用的串行通訊接口也足夠編程所用。

無線收發模塊負責主節點與子節點間的無線數據傳輸，采用用挪威Nordic公司的無線射頻芯片nRF905。一次的數據傳輸量最多為32B，最大傳輸速度可達到100kbps，發射功率最大可達10dBm，接收靈敏最大為-100dBm。工作電壓為1.9V～3.6V，此外其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率工作時，芯片的發射電流只有11mA，于接收模式運行時的電流為12.5mA。內部具有空閑模式與關機模式，可實現節能目的。由于我國433MHz頻段可以免費使用，所以本系統使用433MHz頻道進行無線數據通信。nRF905內置點對多點通信地址控制，適用于本系統中心控制模塊和各個下位機間的通信。

此外為實現主節點與PC機間的信息交流，需要借助CH340T串口轉換器。

為了方便用戶操作及查看相關信息，我們利用液晶屏來顯示相關信息，液晶屏采用OLED12864液晶顯示屏，OLED12864為128×64行點陣的OLED單色、字符、圖形顯示模塊，采用 4.5V～5.5V供電。

2.2子節點硬件設計

子節點主要實現對農業大棚環境溫、濕度信息的采集以及接收主節點下發的控制指令對執行機構進行控制等功能。主要硬件有微控制器MSP430G2553、溫、濕度檢測模塊DHT11、無線收發模塊nRF905、執行機構、液晶顯示模塊OLED以及電源模塊。其硬件結構如圖2所示。

圖2　子節點硬件結構圖

溫濕度檢測模塊在系統中負責檢測農業大棚中的溫、濕度信息，采用數字溫濕度傳感器DHT11。它與一個高性能8位單片機相連接，工作電壓為3V～5.5V，濕度測量范圍為20%～90%RH，濕度測量精度為±5%RH，溫度測量范圍為0～50℃，測溫精度為±2℃，信號傳輸距離可達20m以上，能夠廣泛應用于各個領域。

其中DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4毫秒左右，芯片有專用的通信協議，可通過軟件測量高電平時間來確定數據，最終接收數據分小數部分和整數部分。執行裝置有卷簾機的三相交流電機，電加熱棒、繼電器、通風口的直流電機。子節點根據來自上位PC機的指令控制相應的繼電器和接觸器的通斷，進而控制相應的執行裝置，以實現對農業大棚中溫濕度的調節。接觸器的控制電路如圖3所示。

圖3　接觸器控制電路圖

3　通信協議

通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則。通信協議設計是軟件設計的重點，也是通信可靠性的保證。

主節點與上位PC機串口通信設定協議，如表1～表2所示。

本系統中主節點與各通信子節點之間需構成完整的通訊網絡以保證射頻通信的可靠性，nRF90芯片本身不帶組網協議，為此系統設計了nRF905通信協議，如表3～表6所示。

表1　上位PC機向主節點下傳控制指令協議（總長度8個字節）

表2　主節點向上位PC機上傳數據協議（總長度12個字節）

表3　子節點上傳主節點數據協議（總長度16個字節）

表4　子節點上傳主節點ACK

表5　主節點下傳子節點控制指令

表6　主節點下傳子節點ACK

本系統是一個主節點對多個子節點的網絡結構，為實現主節點全網廣播的功能，為各個子節點都定義了相同的物理地址0XE7。但為了區分各個子節點，本系統在網絡層為每個子節點分配了唯一的IP地址，主節點在接收到數據后通過該地址來判斷接收到的數據是哪個子節點上傳來的。子節點通過該網絡地址來判斷主節點下發的控制指令是不是給自己的，如果不是則不接收。

若出現數據傳輸因干擾發出錯誤或是現場停電等狀況，主節點則不能接收到回傳的應答信息，為保證通信可靠，本系統在主節點與子節點通信時設定了數據重發機制［8］。當主節點收到子節點上傳的數據時需要及時回復給子節點一個ACK應答信號，子節點收到ACK表明數據上傳完成，否則進行數據重發，直到收到ACK為止。同樣當子節點收到主節點下發的控制指令時也會回復給主節點一個ACK，主節點以此信號來判斷子節點收到控制指令，若沒有則重發，但在5s后主節點仍沒有收到ACK，則認為本次控制指令發送失敗，主節點認為該子節點出錯，并反饋給上位PC機。

4　系統軟件設計

4.1上位PC機程序設計

上位PC機主程序主要完成各個子節點數據的接收、分析及存儲。如果數據在設定的范圍之外，則下達控制指令，對相應農業大棚中執行機構進行控制。

4.2主節點程序設計

主節點主程序主要完成定時接收各子節點采集到的數據且進行實時顯示，并與上位PC機進行串行通信，當上位PC機下發控制指令時將指令下發給相應的子節點，它是上位PC機與子節點之間的紐帶。主節點主程序流程如圖4所示。

主節點與子節點間借助NRF905模塊進行通訊，在NRF905處于接收模式時對數據進行保存并發送返回ACK，若切換到下發指令模式時則定時下發控制指令到對應子節點，直到接收返回ACK后切換回接收模式。

4.3子節點程序設計

子節點主要負責采集農業大棚中的溫濕度信息，并將這些數據定時發送至主節點，同時接收來自主節點的控制命令，并根據這些命令控制相應執行裝置。子節點主程序流程圖如圖5所示。

4.4實驗結果

圖4　主節點主程序流程圖

圖5　子節點主程序流程圖

為了驗證系統方案的正確性，本實驗包括10個子節點，1個主節點和1個上位PC機。每路子節點按順序進行IP地址編號，每路子節點接一路DHT11溫濕度傳感器，和四路繼電器、接觸器的執行機構，分別控制開簾，閉簾，加熱和通風。上位PC機采用串口與主節點數據傳輸，主節點采用無線傳輸與各個子節點通信。通信距離空曠場地約為400米。改變任何一個子節點的溫濕度，經過約2秒鐘左右，主節點和上位機能接收到任何子節點的溫濕度數據，并實時更新。上位PC機發出控制指令，下位機在1S內，子節點能準確接收數據，實時控制對應的執行機構，對于本設計來說，可以忽略該時延。該系統連續工作24個小時，采樣控制運行正常，具備可靠穩定的優點。

5　結束語

本設計是以MSP430單片機為核心，結合NRF905無線通信設計了多點農業大棚無線數據采集與遠程控制系統。可實現對多個農業大棚中溫濕度信息的無線實時監測，并完成開閉簾、加熱、通風等的遠程控制。經過實驗表明，該方案運行良好，可靠性高，很好地解決了大棚蔬菜種植中的許多實際問題。參考文獻：

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TP23

A

1009-0134（2016）08-0045-05

2016-03-08

北京市自然科學基金（13000031019）；北京市教委科技計劃面上項目（15032221001/006）；北京石油化工學院科技創新資助項目（15031862005/052）；北京石油化工學院優秀青年教師和管理骨干培育計劃項目（08031862008/040）；北京市教育委員會市屬高校創新能力提升計劃項目（2016014222000041）2015年北京市大學生科研訓練計劃深化項目（16032082003/005）；2015年北京高等學校高水平人才交叉培養畢業設計（創業類）支持計劃項目

劉學君（1977 -），男，副教授，工學博士，研究方向為光通信和單片機開發等。