基于ATmega16的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭祥明

基于ATmega16的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭祥明

（亳州學(xué)院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

提出一種基于ATmega16的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)利用數(shù)字溫度傳感器、土壤濕度傳感器將現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)實時采集并通過nRF24L01無線收發(fā)模塊發(fā)送給控制端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理進(jìn)而研究溫濕度對亳芍生長周期的影響，以期能為溫濕度的相關(guān)研究提供參考.

ATmega16；nRF24L01；溫度；土壤濕度

四大藥都之首安徽亳州，位于安徽省西北部，有“中華藥都”之稱.亳州市中藥材種植品種多，種植面積達(dá)4.3 ha萬畝，其中白芍占全國總產(chǎn)量的60%.白芍又名亳芍，是一種保健食品，亦可作藥用，一般適宜生長在排水良好的沙質(zhì)土壤中，亳芍植株在生長過程中受光照、溫度和土壤濕度等環(huán)境條件影響［1］.目前，亳州地區(qū)的芍藥仍然以大田種植為主，極易受干旱、洪澇等自然災(zāi)害影響.傳統(tǒng)的種植技術(shù)主要依靠種植戶根據(jù)自己的經(jīng)驗對亳芍的生長過程進(jìn)行監(jiān)管，但是種植戶的技術(shù)參差不齊，很難及時應(yīng)對種植過程中遇到的問題.如何利用現(xiàn)代電子技術(shù)和控制技術(shù)有效地對亳芍等藥用作物的生長和質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)控是種植戶和制藥企業(yè)關(guān)注的焦點.針對這些問題筆者提出一種基于ATmega16和nRF24L01的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)利用溫度傳感器、土壤濕度傳感器將現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)采集，通過nRF24L01無線收發(fā)模塊發(fā)送給控制端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理進(jìn)而研究溫濕度對亳芍生長周期的影響，具有一定的實用價值和實踐意義.

1系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)分為主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)兩大部分，由ATmega16微處理器模塊、溫濕度傳感器模塊、液晶顯示設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成（見圖1）.

主機(jī)系統(tǒng)主要由ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01無線通訊模塊、LCD1602液晶顯示器、報警模塊等組成（見圖1（a））.主機(jī)系統(tǒng)的功能是：利用nRF24L01無線通訊模塊接收從機(jī)系統(tǒng)采集到的溫濕度等實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和存儲.若接收的數(shù)據(jù)超出了系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍則發(fā)出命令，控制相應(yīng)從機(jī)繼電器模塊進(jìn)行給排水調(diào)節(jié)土壤濕度.如果接收的數(shù)據(jù)中存在異常數(shù)據(jù)時立即發(fā)出警報，并通過液晶顯示從機(jī)序號，提示工作人員及時排除故障.

從機(jī)系統(tǒng)由若干個從機(jī)組成，每個從機(jī)均包含ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、nRF24L01無線通訊模塊和控制模塊等（見圖1（b））.從機(jī)系統(tǒng)的功能是：采集監(jiān)測點環(huán)境中的溫濕度等實時數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的從機(jī)序號及數(shù)據(jù)信息通過nRF24L01無線通訊模塊發(fā)送給主機(jī)，當(dāng)溫度或濕度超出了系統(tǒng)設(shè)定的正常范圍，或某一從機(jī)發(fā)送了異常數(shù)據(jù)，則主機(jī)發(fā)送相應(yīng)調(diào)節(jié)命令通過從機(jī)繼電器模塊調(diào)整該監(jiān)測點環(huán)境中的土壤濕度參數(shù).

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計

系統(tǒng)選用的控制器是ATMEL公司挪威設(shè)計中心推出的基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗微處理器ATmega16，是整個系統(tǒng)的控制核心［2］.外圍電路有電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、溫度采集電路、土壤濕度采集電路、無線傳輸模塊電路和液晶顯示電路等組成（見圖2）［3］.

圖2系統(tǒng)電路原理圖

2.2溫度傳感器模塊

從機(jī)系統(tǒng)的溫度檢測采用的是Dallas半導(dǎo)體公司的單總線數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，可以直接將檢測的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.測溫范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)精度高達(dá)±0.5℃，同時單總線的數(shù)字方式傳輸大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性.每片DS18B20都有唯一的片序列號，可以將多個DS18B20同時連接在一根總線上，單片機(jī)通過指令匹配可讀取任意一個DS18B20的溫度，利用這一特性就可以把DS18B20傳感器放在不同的地方，進(jìn)行多點測溫［4］.

2.3土壤濕度傳感器模塊

從機(jī)系統(tǒng)采用的是內(nèi)部集成了高精度比較器LM393的FC-28土壤濕度傳感器模塊，該模塊具有寬范圍檢測土壤濕度的功能.傳感器檢測表面通過鍍鎳處理，既加寬了感應(yīng)面積，提高了導(dǎo)電性能，又可以防止長期與土壤接觸生銹的問題.

在使用過程中，用戶有兩種方案可供選擇：一是可以調(diào)節(jié)濕度傳感器的電位器設(shè)定亳芍生長適宜的濕度值，把模塊數(shù)字量輸出線與ATmega16單片機(jī)接口直接連接，單片機(jī)通過檢測高低電平（當(dāng)濕度低于設(shè)定值時，單片機(jī)檢測到高電平1，當(dāng)高于設(shè)定值時，單片機(jī)檢測到低電平0）檢測土壤濕度，此方案可調(diào)性較差；二是將模塊的模擬量輸出線與ATmega16單片機(jī)PA7口直接連接，通過ATmega16內(nèi)部集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器處理后將土壤濕度值直觀的顯示出來，同時也方便用戶設(shè)定亳芍適宜生長的土壤濕度范圍.本系統(tǒng)選用的是后者，土壤濕度傳感器模塊接線情況見表1.

表1 FC-28土壤濕度傳感器模塊接線說明（4線制）

表2nRF24L01接線及引腳使用說明

2.4LCD1602液晶顯示器

系統(tǒng)選用的是字符型液晶模塊LCD1602顯示溫度和土壤濕度數(shù)據(jù).LCD1602的控制端口RS、R/W和E分別接ATmega16的PA0、PA1和PA2，數(shù)據(jù)端口D0-D7接PC口，VEE接電位器可以調(diào)節(jié)液晶的背光等.通過單片機(jī)控制LCD1602可以方便的顯示16列×2行各種字母、數(shù)字和符號等，完全可以滿足系統(tǒng)顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)的需要.

2.5nRF24L01無線通訊模塊

nRF24L01是一款工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段的GFSK單收發(fā)芯片，具有126個可選工作頻道，頻道切換時間很短，可應(yīng)用跳頻技術(shù)降低同頻段其他設(shè)備的干擾.內(nèi)部集成了Enhanced Short Burst協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點或1點對多點的無線通信，具有自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確性且功耗極低［5］.根據(jù)設(shè)計要求，將nRF24L01無線傳輸模塊的8個引腳分別與系統(tǒng)連接，通過軟件可以配置nRF24L01為發(fā)送模式、接收模式、待機(jī)模式和掉電模式等，接線情況及引腳功能見表2.

2.6控制報警模塊

大田種植的環(huán)境溫度主要取決氣候變化影響，本系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)土壤濕度傳感器檢測的土壤濕度超出設(shè)定的正常溫度范圍時，系統(tǒng)一方面通過相應(yīng)從機(jī)的PD7引腳輸出低電平控制蜂鳴器發(fā)出警報聲，另一方面通過相應(yīng)從機(jī)的PD6引腳控制繼電器模塊進(jìn)行給排水調(diào)節(jié).

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的通信系統(tǒng)采用的nRF24L01通訊模塊是半雙工通信方式，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不能同步進(jìn)行，系統(tǒng)軟件設(shè)計時要重點考慮主機(jī)和從機(jī)無線通信時序配置［6］.

3.1從機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

從機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心是實時監(jiān)控現(xiàn)場的溫濕度信息，通過nRF24L01無線通訊方式把從機(jī)序號及數(shù)據(jù)信息發(fā)送給主機(jī)分析處理及存儲.軟件設(shè)計流程為，首先對系統(tǒng)初始化（包括18B20初始化、濕度傳感器初始化和nRF24L01初始化等），由PD0口和PA7口分別讀取數(shù)字溫度傳感器DS18B20的數(shù)值和土壤濕度傳感器輸出的數(shù)據(jù).然后配置nRF24L01為發(fā)送模式即設(shè)置PRIM_RX寄存器為低，設(shè)置CE為低電平進(jìn)入待機(jī)模式，設(shè)置和主機(jī)使用相同的地址寬度、頻道及數(shù)據(jù)傳輸率（1 Mbit/s）等，最后設(shè)置PB0輸出高電平設(shè)置CE為高，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，若主機(jī)未收到應(yīng)答信號則應(yīng)用跳頻技術(shù)（FHSS）切換到下一個頻率重新發(fā)送［7］.當(dāng)主機(jī)發(fā)出調(diào)整指令，從機(jī)配置為接收模式，接收主機(jī)的指令并控制繼電器模塊對土壤濕度進(jìn)行給排水調(diào)節(jié)，從機(jī)流程圖見圖3.

3.2主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

主機(jī)系統(tǒng)軟件的核心是接收從機(jī)采集的溫濕度數(shù)據(jù)處理、存儲并向從機(jī)發(fā)送相應(yīng)的調(diào)整指令.軟件設(shè)計流程為：首先對系統(tǒng)初始化（包括nRF24L01初始化和液晶顯示初始化等），然后配置nRF24L01為接收模式即設(shè)置PRIM_RX寄存器為高，設(shè)置CE為低電平進(jìn)入待機(jī)模式，設(shè)置和從機(jī)使用相同的地址寬度、頻道及數(shù)據(jù)傳輸率（1 Mbit/s）等，最后設(shè)置PB0輸出高電平設(shè)置CE為高，開始接收數(shù)據(jù).對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的正常范圍則蜂鳴器報警，并把主機(jī)設(shè)置為發(fā)送模式向相應(yīng)從機(jī)發(fā)出調(diào)整指令，主機(jī)流程圖見圖4.

圖3從機(jī)軟件流程圖

圖4主機(jī)軟件流程圖

4結(jié)語

系統(tǒng)采用ATmega16微處理器作為控制芯片，以nRF24L01無線通訊方式將現(xiàn)場從機(jī)采集到的實時數(shù)據(jù)傳送給控制端主機(jī)端，有效的解決了復(fù)雜環(huán)境下有線通訊的不足.系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)在可200~500 m范圍內(nèi)實現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)信息的有效傳輸，可以滿足小型亳芍試驗田或溫室大棚的溫濕度監(jiān)控.同時，系統(tǒng)還可以增加上位機(jī)和視頻監(jiān)控等模塊進(jìn)一步完善，通過數(shù)據(jù)和視頻更直觀的監(jiān)控亳芍的生長過程，以期為亳芍的種植研究提供技術(shù)支持，為設(shè)施農(nóng)業(yè)在中藥材種植領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考［8］.

［1］屈敏.關(guān)于亳芍栽培與應(yīng)用技術(shù)的探討[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（5）：56.

［2］馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］陳中，顧春雷，沈翠鳳.基于AVR單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

［4］陳中，朱代忠.基于STC89C52單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

［5］王曉燕，丁啟勝.基于WSN和LabVIEW技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀器儀表與傳感器，2012（7）：35-41.

［6］王峰，邢磊，史星晟，等.基于nRF24L01的無線無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].應(yīng)用技術(shù)，2011（7）：88-97.

［7］郝威，楊露菁.跳頻技術(shù)的發(fā)展及其干擾對策[J].艦船電子對抗，2004（8）：7-12.

［8］杜艷艷.國內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（4）：346-368.

On the Design of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ATmega16

ZHENG Xiang-ming
（Department of Electronics and Information Engineering，Bozhou University，Bozhou 236800，Anhui，China）

This paper introduces a design scheme of temperature and humidity monitoring system based on ATmega16.The system uses the temperature sensor and soil moisture sensor to collect the temperature and humidity data in real time and send it to the control end through the nRF24L01 wireless transceiver module.This method has reference value and practical significance to study the effect of temperature and humidity on the growth cycle of Paeonialactiflora pall.

ATmega16；nRF24L01；temperature；soil moisture

TP368.1%

A%%%

1007-5348（2017）03-0052-05

（責(zé)任編輯：歐愷）

2016-12-16

安徽省教育廳教學(xué)名師工作室（2014msgzs170）；亳州師專科研項目（BSKY201424）；亳州學(xué)院創(chuàng)客實驗室項目（2016cksy02）.

鄭祥明（1988-），男，安徽蚌埠人，亳州學(xué)院電子與信息工程系講師，碩士研究生；研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用.