基于無線通信的溫室大棚數據采集系統設計

陳煒明，李水峰，林穎意，魏 梁，鄺文騰

（1.廣東工業大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州510006）

基于無線通信的溫室大棚數據采集系統設計

陳煒明1，李水峰2，林穎意1，魏 梁1，鄺文騰1

（1.廣東工業大學 材料與能源學院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州510006）

為了監測溫室大棚里的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等參數，設計了一套基于無線通信的溫室大棚數據采集系統；該系統集微控制器技術、無線通信技術和智能傳感器技術于一身，以單片機作為主控模塊，多個傳感器采集溫室大棚里的環境參數，并采用無線射頻模塊，對溫室環境進行無線實時監測，以便農業人員調節溫室大棚的環境；介紹了系統的總體設計方案，詳細地描述了系統的硬件電路設計、傳感器節點設計以及軟件的實現，經過實際運行測試，該系統具有反應迅速、操作簡單、自動化程度較高、成本低，方便擴展和集中式監控的特點，具有十分廣泛應用的前景。

溫室大棚；無線通信；數據采集；單片機

目前，我國溫室大棚在農作物種植應用上存在如下問題：大棚內的溫濕度等參數的監測大部分依靠人工讀取，自動化程度低；另外，一套溫室大棚智能監控系統設備的價格昂貴、成本太高，不便于推廣應用[1-2]。為了解決上述問題，提出了一種基于無線通信的溫室大棚數據采集系統設計。經實驗表明，本設計實現了準確地采集溫室大棚中的溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度等數據，根據采集的數據，采用無線通信方式實時傳輸數據并在液晶屏上顯示。本系統可滿足農業上對大棚監控系統的要求，并具有布線簡單、性價比高，方便擴展和集中式監控的特點。

1 系統整體框架設計

溫室大棚因為其造價低廉并且設施簡單，執行機構僅包含4個裝置（加熱裝置，加濕裝置，通風裝置，遮陽裝置），傳感器包括溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器以及光照強度傳感器，該系統硬件模塊主要包括主控模塊、傳感器模塊、無線收發模塊和執行模塊。其中系統的控制方案框圖如圖1所示。

圖1 溫室大棚環境控制系統框架圖

如圖1所示，本系統為基于無線通信的溫室大棚數據采集系統，大棚的微控制器采用51單片機系列中的STC89C52。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器[3-5]。一個單片機負責處理各類傳感器采集到的溫室環境數據，通過無線模塊將環境數據發送到另外一個單片機上，另外一個單片機收集到數據后，會把數據在LCD12864液晶屏上顯示出來，并在系統異常的時候啟動執行系統。

2 硬件實現

整個系統硬件設計主要包括單片機最小系統設計、傳感器節點硬件設計、無線測控網絡和系統執行模塊四部分。

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點由各種數據采集模塊、STC89C52數據傳輸模塊、電源模塊等功能模塊組成。數據采集模塊負責采集監測區域的溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度等信息并完成數據轉換；STC89C52數據傳輸模塊負責與路由節點進行無線數據交換、傳輸采集數據、接收控制命令。電源模塊采用5 V移動電源提供。LED指示燈表示系統正常工作狀態。

2.1.1 溫濕度測量電路

為了方便測量溫室大棚內的溫濕度，選擇采用溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。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8位單片機相連接。該傳感器具有性能卓越、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點[6-7]。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測型號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為在苛刻應用場合的最佳選擇。產品為4針單排引腳封裝，連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。其數據口連接單片機的P3.7口，溫濕度測量電路如圖2所示。

2.1.2 光照強度測量電路

本系統采用BH1750FVI模塊來測量溫室大棚內的光照強度。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用其高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化，量程達到了1-v655351x，可對廣泛的亮度進行llx的高精度測定；可直接數字輸出，省略復雜的計算，省略標定，并且具有支持I2C接口，輸入范圍廣和光源依賴性光照強度[8-9]。其測量電路如圖3所示。

2.1.3 二氧化碳濃度測量電路

對于溫室大棚內的二氧化碳濃度，選擇采用MG811傳感器模塊來測量。MG811傳感器對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度的變化影響較小。它具有良好的穩定性和線性度[10-11]。傳感器采集到的模擬量輸出口，接單片機的IO口，然后通過A/D轉換芯片把模擬量轉換成數字量。本系統采用了ADC0809逐次逼近式A/D轉換器對模擬信號進行處理，最后送給單片機。經單片機處理后，送給12864液晶屏實時顯示，并對棚內風扇等進行有效控制。ADC0809是美國國家半導體公司生產的逐次逼近模數轉換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型A/D轉換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成[12]。本系統采用該芯片完成二氧化碳濃度電信號數據的處理。圖4給出了其電路圖。

2.2 無線測控網絡

圖2 溫濕度測量電路

圖3 光照強度測量電路

本系統采用美國TI公司生產的CC1101射頻模塊來實現數據的無線傳輸。CC1101是一款低于1GHz、設計用在極低功耗RF應用。其主要針對工業、科研和醫療 （ISM）以及短距離無線通信設備（SRD）。CC1101可提供對數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、接收信號強度指示（RSSI）、空閑信道評估（CCA）、鏈路質量指示以及無線喚醒（WOR）的廣泛硬件支持。CC1101在代碼、封裝和外引腳方面均與CC1100兼容，可用于全球最為常用的開放式低于1GHz頻率的RF設計。其工作原理：無線模塊CC1101有五種工作狀態，分別為空閑狀態、休眠狀態、接收狀態、發送狀態和晶振關閉狀態。芯片工作狀態的切換可以通過設置內部寄存器或外部引腳來進行操作。無線模塊CC1101上電后首先會進入休眠狀態，模塊暫停工作，但芯片內部寄存器的值不會丟失。在無線模塊處于休眠狀態時，可以將引腳CSC拉低，使模塊進入空閑狀態。當無線模塊進入空閑狀態后，可以對芯片的寄存器進行讀寫和工作模式的設置。當內部寄存器置位STX位時，晶振啟動，無線模塊CC1101進入發送狀態；若置位SRX位時，則無線模塊CC1101進入接收狀態。需要發送數據時，STC89C52通過SPI接口以較低速率將數據寫入無線模塊TX FIFO，寫入完成后啟動射頻電路將數據發送出去，并清空寄存器TX FIFO。無線模塊接收到數據后，停止無線接收并將接收到的數據通過SPI接口發送至單片機STC89C52。由于無線模塊可以進入休眠模式，所以降低了功耗，并且無線模塊CC1101可以自動生成CRC校驗碼和前導碼，降低了系統設計的復雜度[13-15]。

圖4 二氧化碳濃度測量電路

3 軟件設計

系統軟件設計包括：初始化模塊設計，溫濕度檢測模塊，光照強度檢測模塊，二氧化碳濃度檢測模塊，射頻收發模塊，LCD12864顯示模塊，執行模塊。本系統通過各類傳感器的數據采集，這些數據經單片機處理后，通過射頻模塊從一個單片機發送到另一個單片機上，并在LCD12864液晶屏上顯示收集的數據。如果采集的參數結果超出設定的標準范圍，執行系統就會執行相應的操作，例如對應的IO口會變成低電平（假如正常時候為高電平），接著相應管腳的LED燈會點亮，表示對應的參數出現異常。系統軟件設計的流程圖如圖5和圖6所示。

圖5 發送程序框圖

數據發送及接收正確與否在于射頻收發芯片CC1101驅動程序。CC1101提供了一個4線SPI接口（SI，SO，SCLK和CSn）與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據兩方面的任務。這些接口可以同時用作寫和讀緩存數據。SPI接口上所有的地址和數據轉換被最先在重要的位上處理。SPI接口上的所有處理都包含一個讀/寫位，一個突發訪問位和一個6位地址的頭字節一起作用。地址和數據轉換時，CSn引腳（低電平有效）必須保持低電平。如果在轉換過程中CSn變為高電平，則轉換取消。當CSn變低，在開始轉換頭字節之前，MCU必須一直等待，直到SO引腳變低。SO變低表明電壓調制器已達到穩定，晶體正在工作中。除非器件處在SLEEP或XOFF狀態，SO引腳在CSn變低之后總會立即變低[8]。

圖6 接收程序框圖

4 結束語

文中設計一種基于無線通信的溫室大棚數據采集系統，為改善我國溫室環境智能監控系統的應用現狀而提出的，融合了傳感器、智能操控、單片機以及無線通信技術來實現溫室環境智能監控系統的研究和開發。系統采用兩個個單片機以及相應的外圍擴展器件構成數據發送和接收部分，實現了對溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度數據的實時無線采集和顯示，并可以自動控制溫室大棚內加熱器、日光燈等設備控制環境指標保持預設值之內。系統整體實現了溫室大棚單元內溫濕度等數據的顯示、處理和監控等功能。本系統具有反應迅速，操作簡單，自動化程度較高，性價比高，方便擴展和集中式監控等特點，可滿足農業上對溫室大棚監控系統的要求。因此，基于無線通信的溫室大棚數據采集系統在未來的市場有著非常好的發展前景。

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Design of greenhouse data acquisition system based on wireless communication

CHEN Wei-ming1，LI Shui-feng2，LIN Ying-yi1，WEI Liang1，KUANG Wen-teng1
（1.School of Materials and Energy， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China；2.Experimental Teaching Center， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

In order to monitor the temperature and humidity，carbon dioxide concentration and light intensity and other parameters in the greenhouse，a greenhouse data acquisition system based on wireless communication is designed.The system integrates the micro controller technology， wireless communication technology and intelligent sensor technology， microcontroller is the main control module，use multiple sensors to collect environmental parameters in the Greenhouse，and use the radio frequency module to monitor the greenhouse environment for wireless real-time，so as to adjust agricultural personnel in the greenhouse environment.It introduces a overall design scheme of the system，the hardware circuit design of the system，the design of the sensor node and the realization of the software are described in detail.After the actual operation test，the system contains the features about rapid response， simple operation， high degree of automation，low cost，convenient extension and centralized monitoring，there is a extremely widespread application prospect.

greenhouse； wireless communication；data acquisition； MCU

TN919.72

A

1674－6236（2017）12-0072-05

2016-05-04稿件編號：201605036

廣東工業大學2015年度"本科教學工程"項目（ZYGX037）；廣東工業大學創新創業項目（xj201411845155）；廣東工業大學創新創業項目（yj201511845197）

陳煒明（1993—），男，廣東肇慶人。研究方向：微電子科學與技術。