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農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)論文
0 引言
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境一般都是分散且面積比較大的，如傳統(tǒng)種植對(duì)環(huán)境的溫濕度要求僅僅源于自然界四季溫濕度變化。這種傳統(tǒng)的種植方式局限于時(shí)令蔬菜，而對(duì)于反季節(jié)蔬菜的種植，就需要能控制溫濕度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對(duì)溫濕度要求非常精確的種苗培育室。傳統(tǒng)的溫濕度控制采用人工控制方式，耗費(fèi)大量精力和時(shí)間，控制的精度反而很低，實(shí)時(shí)性非常差。比如，在加熱機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障短時(shí)間內(nèi)溫濕度發(fā)生劇烈變化時(shí)，人工無法及時(shí)做出反應(yīng)，可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。為此，設(shè)計(jì)了一種采用多點(diǎn)溫濕度采集、使用無線數(shù)傳模塊對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端便于統(tǒng)計(jì)和集中控制的系統(tǒng)。由于采用無線數(shù)傳模塊，可以隨時(shí)擴(kuò)展溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，僅需要通過更改軟件控制數(shù)量即可，并通過軟件程序?qū)Νh(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了無人值守及遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要通過對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，然后通過無線數(shù)傳方式將數(shù)據(jù)傳到主控制模塊，主控制模塊再通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端中�？刂七^程可以通過主控制模塊直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作（如加濕器、暖風(fēng)機(jī)及鼓風(fēng)機(jī)） 等工作，也可以直接在遠(yuǎn)程客戶端中更改控制策略。各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度監(jiān)測模塊由AVR 單片機(jī)、NRF24L01 無線數(shù)傳模塊、溫濕度采集模塊及報(bào)警模塊和電源模塊構(gòu)成；主控制模塊由AVR 單片機(jī)、NRF24L01 無線數(shù)傳模塊、GPRS 模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構(gòu)成。為了節(jié)約成本和維護(hù)方便，主控制模塊和節(jié)點(diǎn)溫濕度監(jiān)測模塊的控制核心均由AVR 單片機(jī)ATmega8A 構(gòu)成。
1。 1 控制核心ATmega8A 單片機(jī)
本設(shè)計(jì)采用ATmega8A 單片機(jī)，其內(nèi)部集成了大容量的存儲(chǔ)器，具有豐富的硬件接口，支持SPI、TWI（兼容I2 C 協(xié)議） 協(xié)議。由于采用TQFP 封裝，其功耗和成本大大降低。其片內(nèi)具有8k 字節(jié)的FLASH 存儲(chǔ)器、512 字節(jié)EEPROM 存儲(chǔ)器和1k 字節(jié)的片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)器。由于采用先進(jìn)的RISC 架構(gòu)，在16MHz 的工作速度下性能高達(dá)16MIPS，支持在系統(tǒng)編程ISP，無需專用高壓編程器，方便在電路板上調(diào)試和維護(hù)。ATmega8A 的最小系統(tǒng)電路原理圖。
1。 2 溫濕度采集模塊
為了達(dá)到一定精度和可靠性，本系統(tǒng)采用獨(dú)有的工業(yè)化CMOSens 技術(shù)的SHT1x 家族中的SHT11 作為溫濕度采集的傳感器。SHT11 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，采用專利的CMOSens技術(shù)，將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一個(gè)微型PCB 上，通過14 位A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（傳感器默認(rèn)測量分辨率為溫度14 位，濕度12 位，濕度8 位，處理速度提升更加明顯），可同單片機(jī)通信采用標(biāo)準(zhǔn)的I2 C 協(xié)議進(jìn)行通信，其溫度測量范圍是— 40 ～ + 123。 8℃，默認(rèn)分辨率是0。 01℃；濕度測量范圍是0 ～ 100%RH（相對(duì)濕度），默認(rèn)分辨率是0。 03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補(bǔ)償，使測量結(jié)果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。SHT11 采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過I2 C 協(xié)議和AVR的TWI 接口通信（ 見圖3），將數(shù)據(jù)保存在AVR 單片機(jī)的EEPROM 里，保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電和異常情況下不丟失；AVR 單片機(jī)再將數(shù)據(jù)整理后通過無線數(shù)傳模塊向主控制模塊發(fā)送該節(jié)點(diǎn)的溫濕度情況。
1。 3 無線數(shù)傳模塊
無線通信解決方案有很多種，大型復(fù)雜系統(tǒng)可以使用ZigBee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，路由設(shè)置繁瑣，維護(hù)不方便；小型系統(tǒng)可以使用無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備間的通信，軟件設(shè)置簡單，調(diào)試方便。本設(shè)計(jì)中采用NRF24L01 無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。
NRF24L01 的工作頻段是在2。 4GHz 的ISM 頻段工作的，此頻段是開放的，無需申請(qǐng)?jiān)S可證即可使用。通過改變天線形式，發(fā)射和接收距離可以達(dá)到1km 甚至更遠(yuǎn)，保證了分散式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常工作，改善了傳統(tǒng)布線的高成本的問題。由于NRF24L01 采用跳頻技術(shù)，抗干擾性能良好，特別是它具有6 個(gè)數(shù)據(jù)交互式通道，如果只接收不應(yīng)答，那么這個(gè)通道可以擴(kuò)展到126 個(gè)之多，滿足本設(shè)計(jì)中提出的多點(diǎn)通信和擴(kuò)展的要求，即增加節(jié)點(diǎn)模塊只需更改軟件。
NRF24L01 和AVR 單片機(jī)通信采用SPI通訊協(xié)議，最高速率可達(dá)8Mbps。由于ATmega8A 自帶SPI 通訊端口，方便通信和連接，硬件可靠性比傳統(tǒng)模擬SPI 時(shí)序接口要高很多。
1。 4 GPRS 模塊
在主控制模塊中還需要配置GPRS 模塊與遠(yuǎn)程客戶端通信，主要放置在主控制模塊的環(huán)境中覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，則GPRS 模塊即可正常收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計(jì)中使用的GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300 模塊，使用串口通信方式和AVR 單片機(jī)連接，方便調(diào)試和維護(hù)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
AVR 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)有多種，官方也提供一套免費(fèi)的AVR Studio 集成開發(fā)平臺(tái)，支持在線硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C 語言的開發(fā)平臺(tái)，本設(shè)計(jì)中采用CodeVisionAVR 作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)。
CodeVision AVR 編譯器可以使用C 編譯器，同時(shí)集成IDE 的AVR 開發(fā)平臺(tái)，軟件本身在基礎(chǔ)頭文件已經(jīng)設(shè)置好I /O 口位操作指令，類似于51 單片機(jī)的sbit 命令，實(shí)際使用中非常直觀和方便。
在CodeVision AVR 中，提供了非常豐富的庫函數(shù)，從基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)的庫函數(shù)到實(shí)際應(yīng)用的SPI接口函數(shù)等，代碼精煉效率高，大大減小了系統(tǒng)開發(fā)周期，為產(chǎn)品早日上市節(jié)省了開發(fā)成本。本設(shè)計(jì)中主要使用CodeVision AVR 提供的串行TWI 接口函數(shù)、SPI 接口函數(shù)及USART 串口函數(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)輸入輸出控制。另外，被控對(duì)象為遲滯性較大的溫度和濕度，所以要求控制函數(shù)中加入PID 控制環(huán)節(jié)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)好各個(gè)參數(shù)之間關(guān)系，使其實(shí)時(shí)性和可靠性大大增加。
2。 1 AVR 單片機(jī)TWI 串行接口軟件設(shè)計(jì)
AVR 單片機(jī)TWI 串行接口主要是溫濕度傳感器SHT11 數(shù)據(jù)通信使用的。TWI 是一個(gè)帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峰抑制單元，可以消除小于50ns 的毛刺，可靠性、實(shí)時(shí)性和執(zhí)行效率都非常高。由于AVR 單片機(jī)TWI 兼容I2C 總線，故本設(shè)計(jì)中直接對(duì)TWI 進(jìn)行操作。程序如下：#asm。 equ _w1_port = 0x15。 que _w1_bit = 2#endasm/* 單總線連接到ATmega8 的PORTC 口，利用PORTC4、PORTC5 口，并且包含1 wire 函數(shù)* /#include < 1wire。 h >void sht11_init（void）{w1_init（）； / /對(duì)sht11 的SCL 和SDA 初始化}2。 2 NRF24L01 無線數(shù)傳模塊的軟件設(shè)計(jì)NRF24L01 無線數(shù)傳模塊和AVR 單片機(jī)連接采用SPI 接口，對(duì)其進(jìn)行操作需要用到的函數(shù)包括初始化AVR 和NRF24L01 連接的I /O 端口函數(shù)、SPI 寫命令函數(shù)、SPI 讀命令函數(shù)、SPI 寫入數(shù)據(jù)函數(shù)、FIFO 函數(shù)、RX 模式選擇函數(shù)和TX 模式選擇函數(shù)等。
3 應(yīng)用實(shí)例
本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點(diǎn)使用，選擇150m2的蔬菜大棚設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，每25m2 設(shè)置1 個(gè)溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊，共設(shè)置6 個(gè)。將主控制模塊放置在距離蔬菜大棚200m 的配電室，在距離蔬菜大棚1km 外的辦公區(qū)建立遠(yuǎn)程客戶端。實(shí)地的測試使用中，調(diào)節(jié)好相應(yīng)的PID 控制參數(shù)，設(shè)置適合蔬菜培育環(huán)境濕度和溫度，設(shè)置溫度23℃，空氣相對(duì)濕度92%；將各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊放置在距地面高度為2m 左右為宜，經(jīng)過系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠滿足溫度測試誤差± 0。 5℃、相對(duì)濕度測試誤差± 3%的要求。同時(shí)，遠(yuǎn)程客戶端設(shè)置修改溫濕度值后，現(xiàn)場系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并且無震蕩，可使溫濕度平緩快速地達(dá)到設(shè)置值。其對(duì)于外界的溫濕度干擾也有很高的靈敏度，如對(duì)蔬菜進(jìn)行人工噴水后，系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境濕度上升，通過控制策略控制蔬菜大棚整體的濕度平緩而快速地下降到設(shè)置值，保證不產(chǎn)生震蕩。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)工作在低功耗模式，靜態(tài)電流低于7mA，動(dòng)態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電流不高于30mA，可以通過市電電源經(jīng)開關(guān)電源變換后進(jìn)行供電，也可以采用太陽能蓄電池進(jìn)行供電。如果選擇12V6Ah 蓄電池供電，可以連續(xù)工作700h 以上。
實(shí)踐證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、功耗低、維護(hù)方便、支持在線調(diào)試和無線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，實(shí)際測試中無線誤碼率和丟包率很低，節(jié)點(diǎn)模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
4 結(jié)語
本文主要介紹了一種采用無線數(shù)傳模塊和GPRS模塊構(gòu)成的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方案，并從產(chǎn)品成本控制、可靠性、實(shí)時(shí)性、實(shí)用性等幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提出了使用AVR 單片機(jī)作為控制核心、SHT11 作為溫濕度傳感器、nRF24L01 無線數(shù)傳模塊作為無線通信、SIM300 模塊作為GPRS 模塊與遠(yuǎn)程客戶端通信的監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際的應(yīng)用和測試，該系統(tǒng)工作可靠，便于維護(hù)和升級(jí)，適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有很好的發(fā)展前景。
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