溫室大棚溫濕度實時監測系統設計方法

許東光，王 克，馬春華

(1.南陽師范學院 信息化管理中心，河南 南陽 473061；2.南陽師范學院 機電工程學院，河南 南陽 473061)

1 引言

我國地處亞洲東部，南北縱橫跨度大，加上四季變化，人口眾多，而且隨著人民對于美好生活的要求越來越高，希望在任何季節都能吃上新鮮果蔬，因此對種植業對溫室大棚的要求也越來越高。現代化溫室首要的問題就是前期投入成本高，農民短時間無法看到效益[1]，加上我國大多數農民知識水平低，缺少較為先進的理念和技術，因此如何能夠更有效地降低成本，進而增加果蔬的產量和品質，引起了廣大農業研究學者的思考。

國外溫室基本為玻璃溫室，科學家針對溫室研制出不同的系統用以控制，比如自動化控制水肥、智能遮陽時段，溫室氣體交換系統、溫濕度監測及控制系統等諸多方面，有效地控制每一個環節。同時系統采集數據傳遞到后臺控制軟件，既能極大地節省人力勞力，又能更為合理地使溫室大棚滿足果蔬的適宜生長環境。發達國家例如荷蘭耕地不足，因此更加注意提高土地利用率和植物果蔬的品質及產量，通過計算機系統總體實現各項監測數據如溫室氣體、溫濕度、水肥等的實時更新及處理，并通過相應設備采取措施控制相關數據指數達到合理要求。如美國的微灌技術，澳大利亞的微噴頭，采用監測設備來監測植物果蔬生長過程中的各項要求諸如氣體濃度要求、光照需求、水肥利用率等[2]，最后通過相應設備來控制其達到種植植物最優生長需求，一系列措施實現精細化、自動化、智能化，讓農產品可以增收增產，同時方便人員管理，減低人員成本。與發達國家高新技術溫室相比，我國的溫室大棚培育技術還有很長的一段路要走[3]。差距主要體現在以下方面。

(1)成本：國外高新溫室科技技術成本較高，在中國很容易出現前期投資過大，且回報周期長。如最便宜的聚碳酸酯覆蓋材料1 m2的出廠成本為600多元，且不說安裝、后期維護，而簡易塑料大棚的成本低至10元。

(2)背景：例如荷蘭耕地面積較少，人們不得不把資源控制到每一個小的單位，而中國相對來說，土地面積較大，同時缺失先進的理念和技術。

由于溫室大棚環境復雜，加上傳統的拉線麻煩且可靠性低，各個溫室的要求也各不相同，因此本文立足于如何更實用且便捷地適應各類溫室大棚。我國是農業大國對于蔬菜的要求尤其重要, 為了滿足14億人口的蔬菜要求,本文重點討論如何解決溫室中對于溫濕度的監測,同時更注重實用性和簡便性, 以及盡可能降低所需成本同時又保證質量和產量的要求，以期方便更多的農民，為我國的農業作出貢獻。

2 系統總體方案設計

2.1 系統總體設計方案

對于溫濕度的監測，采取模塊化的溫度監測傳感器；對于數據的傳輸方式，選擇無線傳輸；對于數據的實時處理，采取微控制器同時初始化啟動一定范圍的傳感器；對于數據的異常，采取提示報警的設備；對于數據的傳輸，采取無線網絡發送至終端；對于數據的顯示和存儲，采取數據圖像化展示、記錄以及不同時段的對比。保證溫室果蔬適宜溫濕度，從而更好地生長和發育。該系統重點強調溫濕度的實時監測、溫濕度監測的精度范圍是否符合要求、對于多個溫度傳感器的控制以及數據收集、監測數據的異常波動和處理、溫濕度數據的傳輸和數據的處理。

相應方法概括為：ZigBee無線網絡協調器[4]、CC3200微控制器、DS18B20數字型溫度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、異常數據波動的去噪處理、數據庫存儲數據并對比、已確認異常狀況的報警信號等。相應整體結構如圖1。

圖1 系統整體結構

2.2 方案論證與元器件選型

2.2.1 微控制器的選取比較

ZigBee網絡技術的安全性擁有3種安全模式，且供電只需依靠電池即可運作，不需要拉線。其協議為建立在IEEE 802.15.4標準，即建立在低功耗的局域網協議[5]。無線通信可以迅速建立起通信網絡，并且根據具體要求提供更多擴容，使其輻射范圍更廣，本設計也是看到了這一特點。但是，它也有缺陷，比如信號很容易被障礙物阻擋，但在具體的溫室環境中，設備基本建立在溫室內部上方，所以基本不需要考慮該缺點。對于CC3200開發板，ZigBee網絡技術可以與CC3200的高速局傳輸速率完美結合，CC3200芯片有眾多的終端源，能夠極大程度上在芯片不工作時切斷電源。同時其可以連接的外部設備提供的眾多電路用以實現所需功能。

另外，CC3200微控制器[6]性能屬性也是較為強悍，擁有TI目前發布系列中較為先進的電路布局概念，本身為了方便開發人員測試設計了較多的閑置接口供其使用相應功能，其微控制單元為不同的應用場景提供不同的組合。其余底板相連接的控制單元含有雙列排序的引腳針，方便開發人員使用特地采用插拔的方式。其模塊電路如圖2，相應接口電路如圖3所示。

圖2 模塊原理

圖3 接口電路原理

2.2.2 溫濕度傳感器選型

溫濕度傳感器的選擇為重中之重，要求首先保證可以實現相應功能(既可以測溫度又可以測濕度)，并且對于溫室復雜環境要能夠適應，還要確保其溫差范圍滿足所需要求，能夠較為迅速地監測溫濕度的變化，實用性強。經選擇，SHTxx[7]系列傳感器比較滿足需求，其監測精度較高，差值范圍分別為測溫小于-40 ℃，濕度差為12 bit。另外測溫與測濕器件是緊密連接的。抗干擾能力較強、對于各種較為惡劣的環境適應情況很不錯(圖4)。

圖4 SHT11傳感器的相應引腳名稱及描述

如圖4所示，供電電壓為4號管腳VDD相應所需電壓范圍為2.4～5.5 V，最佳供電電壓為3.3 V[8](這點可以專門制作較為簡單的由電池變壓后的電路即可，同時方便布置)，1號接地，2號DATA用于實現數據的傳送，3號SCK控制輸入時鐘信號，其他NC六個空管腳需要懸空。

2.2.3 WIFI傳輸模塊

ZigBee模塊相較于藍牙傳輸，其傳輸范圍更廣，功耗相比于WIFI傳輸低，且鋪設不需要連接高電壓，電池即可，同時其安全協議為三級，數據傳輸不用擔心數據丟失或被竊取。其處理模塊和通信本領較為滿足要求，能夠完成最終將數據傳送到終端網站的功能。

3 硬件設計

3.1 CC3200微控制器

CC3200微控制器是一款集成有WIFI網絡處理器的單芯片處理器，開發人員可以在CC3200官網獲取相應的軟件開發工具包，以及相應技術文檔，可以實現其與WIFI網絡的處理和連接。

CC3200微控制器的WIFI模塊可以實現數據的傳輸，傳輸對象為終端，而溫濕度數據的獲取則依靠相應傳感器采集到的溫濕度數據。微控制器提供的針腳接口可以實現傳感器的連接和通過WIFI模塊發送溫濕度數據。主要WIFI電路圖如圖5，芯片實物圖如6。

圖5 主要WIFI電路

圖6 實物芯片

3.2 電池模塊

由于CC3200的模塊引腳要求需要單獨供電，圖7為其設計拓展引腳的電路圖，使其可以連接電池，方便使用。

3.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器器件方面初步選擇DHT11，其特點是可以同時檢測濕度和溫度，并且能夠直接以數字方式顯示所測數據的具體值。在使用過程中，首先需要矯正測量數據。在實際使用過程中，其也體現出相應的優勢，比如復雜環境適應性很好，檢測能力也十分靈敏。對比數據，發現其監測數值也是較為精準，如溫濕度誤差分別為±5%，±2 ℃RH，長時間監測的數據變化沒有明顯波動。其電量使用情況也是較為可觀。

圖7 CC3200接口電路

監測溫濕度數據的原理為：采集數據并將其轉換為電信號，后期再把模型轉變為數學模型(模數轉換)，并且增大差異。溫濕度傳感器獲得數據之后的數據傳輸需要與CC3200微控制器相互連接，而微控制器本身的I/O接口僅一個管腳既可以實現采集數據的雙向傳遞，因此較為簡單和方便。另外傳感器可能存在數據獲取太多而微控制器處理速度不夠的情況，但是DHT11傳感器本身是可以暫時儲存較小的采集數據，對于數據的處理傳輸也是比較人性化的。 DHT11的管腳連接如圖8所示。

圖8 DHT11 管腳連接

3.4 溫度傳感器

考慮到溫室主要是溫度對于植物的影響最大，所以再次選擇一個溫度模塊DS18B20幫助監測溫度差值，并且也和DHT11監測的數據做對比優化。該模塊交互數據原理較為簡單，只需要單片機增添一個可以通信的串口即可，數據傳輸基本可以實現實時通訊，并且其電路結構也是十分的簡單。經測量效果，本模塊測量精度也較高，也較為便宜，傳送的數據為數字方式，適應能力相對來說更強。相比較DS18B20溫度模塊[9]，DHT11溫度傳感器的結構更為簡單，布置采集數據較為方便，并且適應性較高。由資料得知，溫度傳感器的誤差是有0.5 ℃，并且其測量溫度的范圍比較廣發，可以基本滿足需求，而且實用性非常強，DHT11溫度傳感器的封裝結構使其可以在多種環境中使用，例如室內外溫度監測和控制、水下、工廠環境或者設備。用途廣，對于各種環境的適應性高。溫度傳感器的相應原理及過程如圖9所示。

圖9為傳感器讀寫數據的過程，如前文所述，DHT11傳感器只是通過一個串口實現數據的讀寫過程，但讀和寫實際上是兩個不同的概念和方式，無法同時實現，簡單思路就是建立一個較為固定并且準確的讀和寫時間，規定一定時間采集讀取數據，另一部分時間寫送給MCU。

圖9 測溫流程

圖10 溫度讀寫流程

3.5 串口設計

傳感器能夠獲得數據只是第一步，第二步協調各傳感器獲取的溫濕度數據，最終傳送給終端。如圖11所示為串口電路原理圖，串口為UART，它轉換時使用的芯片為MAX3232.這個芯片的功能是有接受數據和發送信號兩個功能，負責電平之間的轉換，引腳13→12發送信號，引腳11→14發送信號。RS-232串口通過三個引腳來實現數據的接收與發送，這三個引腳分別為RXD、TXD和GND。

3.6 傳感器終端節點設計

所謂傳感器終端節點的電路設計，其實也就是溫、濕度數據由相應溫、濕度傳感器先檢測，然后采集的數據經由無線通信模塊傳輸兩個重要內容。相當于把傳感器電路和數據傳輸電路封裝為一個模塊，可以實現實時采集的數據能立刻傳送到終端網絡，而終端節點的模塊化也可以依據實地情況可以增加或減少，提高適應性。而終端節點的啟動依靠微控制器的控制，傳感器采集到數據后，由ZigBee網絡傳輸協調器完成數據的發送。終端節點設計概念如圖12所示。

圖11 串口電路原理

圖12 傳感器終端節點設計

環境溫濕度是溫室里極為重要的因素，節點設計針對傳感器的終端節點，如圖13所示為傳感器的終端節點設計，封裝傳感器模塊使其實現固定的功能，也有利于之后根據大棚的具體面積等狀況來擴展和調用，溫濕度傳感器數據的監測和獲取，由微控制器總體以一定時間間隔調用，傳感器采集的溫濕度數據并發送給微控制器，后控制器處理之后再傳輸給無線通信模塊，實現傳輸給終端的最終傳輸。

圖13 傳感器終端節點設計

4 軟件設計

4.1 軟件的開發環境

軟件開發環境為Keil軟件，用來編寫以及調試程序， 通過ZStack協議實現協調氣的自動組網，軟件開發界面如圖14所示，終端得到由微控制器無線傳送的終端節點所測量的溫濕度數據，對其存儲，最終以圖表的方式顯示方便展示數據異常，對于得到的明顯有波動的數據提供報警操作，及時通知管理人員處理狀況。

4.2 主程序編寫與設計

CC3200作為為核心微控制單元控制各種不同類型的溫濕度傳感器，使用C語言在以CC3200微處理器為核心控制器的編程環境中編程控制，接收通過DS18B20采集到的溫度信息，在調試的時候使用串口調試工具，判斷異常信息與干擾信號的區別，異常數據作為控制語音模塊的開關，最后將信息通過ZigBee網絡傳輸技術上傳到PC終端。整體流程如圖15所示。

圖14 Keil開發環境界面

4.3 無線數據傳輸相關代碼

主要程序如圖16和圖17。設立函數實現一段時間內對于相應功能作用的調配，既可以有效對比不同時間段的數據，又可以減少多余功耗。至于數據傳輸也是如此，配合函數的調配傳輸所檢測的數據，以一定時間傳送給ZigBee協調器。

圖15 系統軟件設計整體流程

圖16 主要程序1

經由協調器檢測的數據，最終傳送給終端處理、存儲、比對等。

圖17 主要程序2

5 系統測試與結果分析

5.1 系統硬件調試

分別實現各種功能，將模塊化的溫濕度監測系統分別調試并校對數據，最后檢查后臺終端是否收到協調器傳輸的各項數據，并檢查數據合理性。

5.2 系統測試數據

首先設置所需監測數據的傳感器類型，然后開啟系統進行測試，把PC終端的串口與ZigBee協調器模塊的串口相連接，協調器監測并選擇以及連接相應傳感器，連接成功后可以設置信號燈或者數值顯示的方式顯示所連接的傳感器模塊，組建一個區域的局域網絡。網絡組建成功后，分別在調試工具和上位機界面可以看到數據的顯示， 后臺終端界面能夠顯示各個傳感器實時傳輸的采集數據。串口終端顯示如圖18所示。

圖18 串口終端顯示

5.3 結果討論與分析

采取較為科學的數據采集方式，在相同環境中隔一定時間(20 min)進行數據采集，并連續使檢測儀運行3 d的工作量，采集數據經由協調器傳輸到終端并存儲比對，以下是相應數據監測(表1)。

由數據監測結果表得知，所檢測溫、濕度誤差分別為：±0.3、±0.4%RH，把此數據對比成品的測試儀，發現能夠大致符合市面上常見的溫濕度監測元件可接受的誤差數據，所以本設計是較為符合要求的。

5.4 聲光報警性能測試

為進上文提到的報警裝置屬于對于檢測裝置的一個拓展，比如采集數據達到一定峰值，就打開控制LED蜂鳴器的開關，進行報警，提示工作人員處理。

5.5 無線收發距離測試

雖然經由查資料了解到ZigBee相對于藍牙傳輸收發距離較好，速率也較高，但是本著科學的嚴謹性，具體測量了ZigBee收發距離，實際測試結果顯示：ZigBee網絡能夠覆蓋的最小通信范圍為100 m×100 m，但ZigBee可擴展，可以使用更多的路由器來擴展通信距離。

6 結論

本文成功設計了溫室大棚溫濕度實時監測系統，各傳感器都能得到相應數據，并能分辨出不同位置的差異，利用CC3200芯片作為核心控制器，實現了ZigBee無線傳感網絡技術結合溫濕度傳感器，在溫室內部署多個傳感器節點，實時的監測同一環境中溫濕度的變化和差別，數據傳輸后方便對比和處理，提供最優解決方案，并且能夠檢驗溫室果蔬的最佳適宜溫濕度。擴展環節的報警功能能明顯減少人力，便于管理人員及時制定措施，為實現現代化溫室的無線精準測控提供具有實用價值的參考方案。

表1溫濕度數據監測結果對比