基于2.4G無線傳輸的熱帶花卉環境監測系統

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，設計了一款無線智能熱帶花卉環境監測系統，并且給出了軟硬件的設計和實現。采集節點以STC89C52為核心，并根據影響熱帶花卉生長的環境參數裝載AM2301溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器，因此采集節點可以同時采集傳輸多種環境參數，降低硬件成本。該系統作為E01-ML01DP5模塊在智能熱帶花卉系統方面的一個典型應用，在實際運行過程中也取得了比較滿意的效果。

關鍵詞：2.4 G無線通信模塊；STC89C52；環境監測系統；熱帶花卉

中圖分類號：S625.5+1；S126 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

隨著國內外花卉市場需求量日益增大，尤其是熱帶花卉需求量的增大，海南島發展熱帶花卉產業具有廣闊的市場前景[1]。由于設施花卉[2-5]生產具有高品質、高產量、穩定生產等優點，因此在當前熱帶花卉栽培中的地位越來越重要。這表明花卉生產已從自然生長的狀態進入由人工操控的智能化時代[5，6]。智能熱帶花卉環境監測系統充分利用無線傳感網絡技術，可實時遠程獲取熱帶花卉設施的溫度、濕度及光照強度，為熱帶花卉提供良好的生長環境，從而使經濟及社會效益最大化[7-10]。綜上所述，研究和實現一種低成本、智能化、實時性的熱帶花卉環境監測系統至關重要。

本文選擇2.4 G無線通信模塊E01-ML01DP5作為智能熱帶花卉環境監測系統的無線通信技術，在深入研究E01-ML01DP5協議的基礎上以STC89C52為微控制器，提出了相應的環境監測系統解決方案。本系統可實現對熱帶花卉環境的溫度、濕度及光照強度的監測。

1 系統整體方案設計

本文以低功耗、高性能8位微處理器STC89C52為核心設計了環境監測采集節點和協調器節點。采集節點的系統框圖如圖1所示，該系統分為環境參數傳感器、LCD液晶屏、各種設施控制模塊（包括照明燈亮度調節、水閘開關控制、空調或風扇開關控制）、2.4 G無線通信模塊和STC89C52微處理器5大部分。采集節點由市電或USB電源供電，環境參數傳感器實現對熱帶花卉環境溫度、濕度和光照強度的監測，LCD液晶屏實時顯示各項環境參數，2.4 G無線通信模塊負責數據的發送和接收。

圖2所示是協調器節點的系統框圖，該系統分為LCD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。接收節點不僅將采集節點的溫濕度及光照強度數據顯示在LCD屏上，還同時利用USB串口將這些數據同步上傳于PC機，便于保存和查看，甚至可以制作人機交互界面。若環境條件不適于花卉生長，可通過2.4 G無線通信模塊將按鍵操作轉換為相應的數據格式送至采集節點，從而控制設施更改環境參數，并在本地的LCD液晶屏上實時顯示。此外，該模塊由5 V適配電源或USB電源供電。

2 系統核心硬件電路設計

2.1 照明燈亮度調節電路設計

合理選用環境參數傳感器是設計熱帶花卉環境監測系統至關重要的一環，為了能夠正常監測熱帶花卉生長環境的參數，本設計采用AM2301數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度傳感器電路如圖3所示。

AM2301是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，輸出數據格式為濕度數據高位+濕度數據低位+溫度數據高位+溫度數據低位+校驗和。AM2301的性能參數基本滿足熱帶花卉環境監測的需求。此外，選用數字式溫濕度傳感器可降低設計難度，并可利用輸出數據中的校驗和提高接收數據的正確率。

GY-30是一款數字光強度檢測模塊，直接數字輸出，省略復雜的計算、標定，降低設計難度。GY-30的光照強度檢測范圍基本滿足大部分不同品種的熱帶花卉在不同生長時期的需求。GY-30采用I2C協議傳輸數據，因此利用微處理器的I/O管腳模擬I2C接口協議與GY-30通信完成光照強度參數的采集。

2.2 功耗檢測電路設計

該熱帶花卉環境監測系統的無線數據傳輸由2.4 G無線通信模塊E01-ML01DP5實現，功耗檢測電路如圖4所示。E01-ML01DP5模塊集成了NRF24L01、PA（功放）和LAN（局域網），帶屏蔽罩和外螺紋內孔SAM射頻座，通信距離可達2.1 km，性能較好，傳輸穩定，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（包括藍牙技術、NFC技術、ZigBee技術）相比，具有傳輸距離遠和抗干擾性好兩大優點。

2.3 實時時鐘電路設計

使用一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302與微處理器89C52相配合實現實時時鐘功能，實時時鐘電路如圖5所示。DS1302具有SPI三線接口，因此89C52可根據DS1302的數據傳輸格式及時序使用軟件編程實現讀寫操作，從而使實時時鐘具有提供秒、分、時、日、星期、月和年的功能。避免系統重新上電后手動設置時間，本設計使用的DS1302采用雙電源供電，在系統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 系統軟件設計

3.1 采集節點軟件設計

采集節點主要負責環境參數的采集及發送、花卉設施的控制，其軟件設計流程圖如圖6所示。STC89C52微處理器先進行一系列的初始化，其中傳感器、E01-ML01DP5模塊和LCD1602的初始化分別為環境參數數據采集、數據發送、環境參數顯示做準備。采集節點可實現如下功能：

（1）通過各種傳感器將采集到的環境參數數據送至LCD1602進行顯示；

（2）將每間隔兩分鐘采集到的環境參數數據按照規定格式轉換后無線傳輸至協調器節點；

（3）接收來自協調器節點的控制命令調整風機、照明燈、空調、除濕機等花卉設施的工作狀態。

該節點的環境參數數據格式為：0x00（起始符）+兩個字節（節點符）+RH+4個字節（濕度十位+濕度個位+濕度小數位）+TP+4個字節（溫度十位+溫度個位+溫度小數位）+LT+5個字節（光照強度的萬、千、百、十、個位）+0x55+0x55（結束符）。

3.2 協調器節點軟件設計

協調器節點主要負責接收、處理環境參數數據和發送花卉設施的控制命令。其軟件設計流程圖如圖7所示。STC89C52微處理器先進行一系列的初始化后，再將環境參數接收和換算顯示在液晶屏上，并經由串口發送至PC機，便于查看和存儲。往后可制作智能化、友好的人機交互界面。

4 系統調試及結果分析

采集節點上電后正常工作如圖8所示。由于距離光源較遠，采集到的光照強度僅為85勒克斯，室內溫度、濕度分別為31.5℃和44.0%，與標準環境參數測量儀器儀表所測量的數據對比，誤差在可接受的范圍內。該節點具有USB供電與市電供電兩種供電方式。經驗證，節點在兩種供電方式下均正常工作。

協調器節點上電后正常接收采集節點發送的環境參數數據如圖9所示。在采集節點處用手電筒當作光源加強光照強度，因此協調器接收到的光照強度為161勒克斯，室內溫度、濕度分別為31.8℃和43.7%。

通過采集節點監測熱帶花卉環境參數，并由微處理器處理經2.4 G無線射頻模塊將環境參數數據發送至協調器節點模塊，同時采集節點和協調器節點的顯示屏同步顯示環境參數，從而實現熱帶花卉監測系統的環境參數監測功能.

5 結 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境監測系統，能夠正常接收環境參數數據，通過分析所采集到的數據調控花卉設施為花卉生長提供適宜條件，從而達到該系統的目的。同時系統還具有較強的拓展性和靈活性，在往后的設計中可加入多個傳感器節點來組成一個覆蓋范圍較大的無線傳感網絡的熱帶花卉環境監測系統，有較強的實用價值。同時本次設計對2.4 G無線通信模塊多節點控制進行研究有一定的指導意義。

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