一種無線環境參數檢測系統的設計

周林樹

（福建寧德技師學院，福建 寧德 352100）

隨著現代化通信和傳感技術的逐步成熟與完善，環境參數監測系統已成為當今種植業、養殖業等產業的一個研究熱點[1-2]。采用單片機控制溫度、濕度和光照強度，不僅具有控制方便，結構簡單，靈活性大的優點，而且可以大大提高溫度、濕度和光強度控制的技術指標，從而大大提高產品質量和數量[3-4]。傳統的方法是靠人工測試和讀取，并判斷溫度和濕度是否偏離正常值，然后采取相應的調整措施，消耗了大量的人力和物力。隨著國民經濟的快速發展，農業產業規模不斷擴大，溫室種植的農產品種類日益增多。對于很多溫室來說，傳統的溫度控制措施已經顯示出很大的局限性[5-6]。微控制器和各種傳感器檢測技術的發展，解決了環境參數檢測和傳輸過程出現的難題。本文使用單片機作為控制核心對環境參數檢測系統展開應用研究，對環境的溫度、濕度及光照度進行實時監控，以促進生產，帶來效益。

1 系統的組成及硬件電路設計

環境參數檢測系統的整體設計，本系統包括傳感器測量單元、顯示單元、繼電器控制單元及處理器單元等，針對各單元的設計方案進行選擇，最后確定本設計為最終方案。硬件電路的設計，包括單片機最小系統電路、傳感器測量單元、鍵盤和液晶顯示電路的工作原理和電路設計。

1.1 單片機最小系統電路

采用STC89C52 單片機構成的最小系統見第64頁圖1。

1.2 測量系統的數據采集單元

一個溫濕電阻式元件和一個連接到高性能8 位微控制器的NTC 溫度測量元件構成了帶有校準數字輸出的DHT11 溫濕度傳感器，它具有超快的響應，強大的抗干擾性和高可靠性等優點。通過單元機可直接讀取溫濕度數據，該傳感器與單片機通信的接口方式見第64 頁圖2。

1.3 光照度傳感器

采用BH1750 光照傳感器來檢測環境光照度參數。通過I2C 的通信方式可直接輸出數字信號，見第 64 頁圖 3。

1.4 無線通信單元

nRF24L01 是一種單片射頻無線收發器。nRF24L01 適合在2.4～2.5 GHz 的頻段工作，其內部由晶體振蕩器模塊、功率放大器模塊、調制器模塊、頻率合成器模塊以及其他功能模塊組成，且用于平均功率的配置和通信通道。最大傳輸速率為2Mb/s，傳輸工作電流為9mA，接收工作電流為12.3mA，用于低功耗和待機兩種操作模式。nRF24L01 與單片機的通信接口方式見第64 頁圖4。

2 系統軟件程序設計

系統主程序工作流程如下。發送端：系統通電工作時要先進行內部的初始化，溫度和照度由發送器測量，在周圍的環境里DHT11 采集到溫濕度與光照度后，將測量數據發送到MCU STC89C52 進行處理，再將處理后的數據在1602 顯示屏中顯示出來。之后通過nRF24L01 無線模塊將數據發送到接收側。

圖1 STC89C52 單片機控制系統電路圖

圖2 DHT11 溫濕度傳感器接口電路圖

圖3 BH1750 光照傳感器接口電路圖

圖4 nRF24L01 無線模塊接口電路圖

接收端：系統初始化后再對發送端傳送過來的數據進行處理和儲存，最后控制液晶1602 顯示瞬時溫濕度與光照度。在數據傳輸時，先將nRF24L01配置為發送模式，再定時通過SPI 端口將接收的TX_ADDR 節點的地址和實際的TX_PLD 數據寫入nRF24L01。數據傳輸成功時，如果片選端CE 的電平為低電平，則nRF24L01 進入待機模式1；如果數據堆棧未知則CE 為高電平，則進入待機模式2。接收數據狀態，nRF24L01 調整到接收模式，然后延遲130 μs 以接收狀態來等待數據訪問。當接收方檢測到有效地址和CRC 時，將數據包保存到RIF FIFO，并將RX_DR 位中斷標志置為高，降低IRQ，產生中斷，并通知MCU 接收數據。如果此時啟用自動響應，則接收機同時輸入返回信號，該返回信號返回傳輸狀態。當數據接收成功時，如果CE 降低，nRF24L01 將進入備用模式1。在寫寄存器之前一定要進入待機模式或掉電模式。相應的狀態和數據信息是從MISO 輸出給MCU。與SPI 相關的控制指令共有8 個，當需要使用時，這些控制指令由nRF24L01 的MOSI 輸入。該系統發送端和接收端的無線通信程序流程見第65 頁圖5。

3 數據采集與實驗分析

3.1 溫濕度采集

在不同環境下對溫濕度進行多次測量，如同棟實驗樓不一樣的房間，在室內和室外進行采集，測量端和接收端的數據見第65 頁表1。

3.2 光照度采集

在不同的環境下對光照度進行多次測量，在同一層樓不同測試點的室內 (燈下) 和室外進行采集，測量端的數據第65 頁見表2。

綜合以上的數據分析，測量端與接收端有一些數據上的誤差，在溫濕度的采集中，除了DHT11溫度傳感器和液晶顯示器自身帶有一定的延時之外，誤差比較大的原因在于傳輸的過程中，nRF24L01 無線模塊在長距離過程中可能會造成數據丟失。

圖5 無線通信程序流程圖

表1 不同環境下測量端溫度和相對濕度數據

表2 不同環境下測量端光照度數據 （lx）