航空育種基地環境監控系統設計

陶冶

摘要：隨著科學技術的發展和科學家在農業方面的應用，又研制出了一項航空育種技術，同時也使人們意識到對育種基地環境的監控也是非常重要的。該系統主要是應用STC89C52單片機和無線wifi模塊組建，通過在智能手機上開發的APP界面，利用DHT11溫濕度傳感器測量出數據，通過wifi的傳輸，在手機上顯示出來，方便人們對環境的溫度、濕度的改變。

關鍵詞：單片機;報警;APP;wifi

中圖分類號：TP31? ? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1009-3044（2019）03-0253-03

航空育種就是能夠利用返回式的衛星，宇宙飛船等一些返回來的航天器，將帶到太空中將要經過誘變的農作物種子、組織、有生命的各種物質等在特殊的環境，例如微重力、超真空、強輻射環境的誘變能夠使生物種子內部的結構發生變異，科學家就根據返回的結果開始對作物進行選育，然后進行培育，最終使普通種子或其他一些物質都變成一批新品種、新材料的育種技術。航空育種基地環境與農作物的生長息息相關，我們必須要能夠控制航空育種基地環境中的溫度和濕度。

1 系統方案

航空育種基地環境監控系統以STC89C52單片機為核心，由5大部分電路組合而成。5大部分電路分別為溫濕度DHT11傳感器測量電路、調節數據按鍵電路、顯示LCD1602液晶電路、無線網絡ESP8266電路和電源部分電路[1]。航空育種基地的環境測量系統主要構想由STC89C52單片機最小組合電路及其他各部分的電路構建而成。溫濕度傳感器主要是測量航空育種基地環境中的溫度和濕度，測量出來的數據經過單片機處理以后，通過LCD1602液晶屏以及利用手機與無線wifi的連接，在手機上安裝的數據交互界面APP上把溫度和濕度的數據顯示出來[2]。當測量出的實際溫度或濕度高于預計的溫度或濕度的數值時，或者實際測量出的溫度或濕度的數據值低于預計的溫度或濕度的數值時，就會現場聲光報警和APP報警[3]。溫度或濕度的設定值進行設置時，自己通過按鍵模式的方式進行設置，其溫濕度檢測控制的總體設計框圖如圖1所示：

2 系統總設計框圖

以下為該系統完成的功能：

（1）通過數字溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度數據，即時傳輸給單片機;

（2）單片機將收到的信號進行分析和處理，將采集到的溫濕度實時數據送給1602液晶顯示屏;

（3）通過1602LCD液晶屏以及手機APP完成溫濕度的數據顯示;

（4）設定溫度濕度上下限數值，當實際溫度和濕度超過所設置的范圍，蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警，APP界面報警。

2 系統硬件設計

2.1 MCU最小系統設計

單片機STC89C52是一種功能消耗非常低，功能的工作利用非常高的單片機芯片。現在已經為更多的嵌入式系統提供高質量服務，效率高，操作簡單[4]，下面為STC89C52的功能及特性：

1） 單片機STC89C52的部分功能：該芯片擁有3個64 位定時或計數的器件，一個8向量4級中斷的結構，并且還是一個全部方位的正反串行控制輸入或輸出的端口。

2）單片機STC89C52的特征： 8K字節程序存儲空間;256字節數據存儲空間;內帶4K字節EEPROM存儲空間;可直接使用串口下載，STC89C52引腳介紹如圖2所示：

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器DHT11是由數字模式組合而成的，直接能夠將測量的數字傳輸給單片機的傳感器。傳感器DHT11的組成分為三部分，第一部分為一個電阻式感濕元件，該元件的主要作用是能夠感應育種基地環境中的濕度;第二部分是一個NTC測溫元件，該元件的作用就是能夠感應出育種基地環境中的溫度;第三部分是一個性能非常高的8位單片機[5]。DHT11溫濕度傳感器具有很多優點，例如它的質量非常好，反應的速度非常快，價格非常低廉，體積非常小，功耗非常低。傳感器DHT11電路設計如圖3所示：

2.3 無線wifi模塊ESP8266

ESP8266由UART-WiFi 的透傳模塊組合而成，主要的特點是工作時耗能非常的低。主要應用在移動設備和物聯網兩個方面，這樣手機就可以通過wifi進行互聯網通信，并且完成手機聯網的功能[6]。

ESP8266的三種工作模式

①STA 模式：這種模式是一種比較煩瑣的模式，主要是要使用路由器的連接，只有這樣，無線wifiESP8266才能夠與互聯網進行配合，使手機或電腦通過無線網絡的連接可以對設備進行遠距離的監控。

②AP 模式：AP模式是將無線網絡ESP8266直接作為熱點，讓該芯片發射出無線wifi，我們直接可以打開手機或電腦的無線按鍵進行無線通信的連接，使遠程的信息通過無線wifi傳入到自己的手機或電腦上。

③STA+AP模式：這是兩種模塊的組合模式，更加方便了人們的操作。

系統選用了無線wifiESP8266，在該模塊中主要采用了AP模式，其原理就是該芯片可以直接發射無線wifi，操作簡單。該模塊主要與單片機接口P3.0/RXD，P3.1/TXD相連，其電路圖如圖4所示：

2.4 LCD1602液晶顯示屏

1602顯示屏能夠顯示數字、符號和圖形等。液晶LCD1602顯示質量非常好，恒定發光能夠長時間保持畫面的色彩和亮度[7];數字式接口操作簡單，體積小、體重輕、功耗低。該顯示屏引腳編號名稱介紹如表1所示：

3 系統軟件設計

3.1 傳感器DHT11設計流程圖

溫濕度傳感器DHT11主要是監測航空育種基地環境中溫度、濕度的情況，并且該傳感器是一款數字傳感器，其軟件設計流程圖如圖5所示：

3.2無線wifiESP8266模塊設計流程圖

線ES無P8266wifi模塊主要功能就是通過發射無線wifi，通過wifi連接到手機上，再把數據傳送給手機，流程圖如圖6所示：

4 系統測試

1）給實物配置三節1.5V的五號電池，并且裝置在電池盒中，打開電源開關，這時電路板上顯示電源的紅色小燈泡就會亮起來，并且在無線網絡模塊上也有一個燈亮起來。然后LCD1602顯示屏上就會出現DHT11 Systen W：? S： 字樣，并且上面顯示著當前測量的溫度和濕度的數值。W代表溫度的數值，S代表濕度的數值，實物圖如圖7所示：

2）開始設計實物，具體的步走為按實物最右邊的第一個按鍵進行選擇模式，模式主要分為三部分的內容，分別為溫度調節模式、濕度調節模式、按鍵調節模式。然后選擇模式1代表溫度上下限設定模式，開始對溫度上限值H和下限值L進行設置。選擇模式2代表濕度上下限數值的設定，然后開始對濕度上限值H和下限值L進行設置[8]。按KEY2鍵使數值連續增加，按KEY3鍵使數值不斷向減。

3）模式選擇調節好以后，就開始對手機顯示進行調節。具體操作為打開手機，然后再打開手機WLAN，刷新無線網絡顯示名稱，找到wifi名為ESP8266-01的無線網絡進行連接，并且無線網絡的初始密碼設置為1234567890，點擊界面連接按鈕進行連接無線網絡wifi。

4）無線網絡連接好以后，在手機界面上找到WIFI數據交互設計的APP，然后再打開APP，界面上就會顯示兩項的內容，分別為用戶的名稱以及登錄該APP界面的密碼，登錄需要的密碼為123456，然后再按登錄字樣進行登錄[9]。

5）WIFI數據登錄界面成功以后，就進入了手機顯示數據界面，此時界面顯示了無線網絡模塊ESP8266配置的IP地址為192.168.4.1，端口數為8888，然后我們點擊連接按鈕，此時就會顯示溫度和濕度的測量數據，并且和航空育種基地環境中LCD1602顯示屏顯示的數據保持一致[10]，顯示界面如圖8所示：

5 總結

本系統設計主要以STC89C52單片機為核心，利用單片機將一些硬件設計電路連接起來，然后應用軟件編程、調試，使系統基本實現各項要求的功能。即雖然該系統還存在一些不足，但是能夠應用在現代的生活當中。該系統設計的不足之處主要還是元器件的選取，例如溫濕度測量精確度還不是太高，尤其是濕度測量數值，波動幅度較大。但是我也應用了各種改進方法，結果還是不太理想。

參考文獻：

[1] 余發山.微機原理與單片機接口技術[M].北京：煤炭工業出版社，2013.

[2] 李學禮.《基于Proteus的8051單片機實例教程》[M].電子工業出版社，2014.

[3] 徐愛鈞.《單片機原理實用教程基于Proteus虛擬仿真》[M].電子工業出版社，2015.

[4] 陳享成.耿長青.基于單片機的LCD顯示終端設計[J].電力自動化設備，2014.

[5] 韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社，2009.

[6] 李士寧. 傳感網原理與技術[M].北京：機械工業出版社，2017.

[7] 楊桂榮，任士虎.基于物聯網的溫室大棚智能控制系統總體方案設計[J].現代化農業.2017，（5）：51-52.

[8] 張培仁. 傳感器原理檢測及其應用[M].北京：清華大學出版社，2016.

[9] 王心海，賴文雅.無線傳感網在環境監測中的技術研究[J].電腦迷.2018，（8）：140.

[10] 楊利榮，李偉.基于Android平臺的空氣質量監測APP的設計與開發[J].科技創新與應用.2016，（10）：76.

【通聯編輯：梁書】