温室中无线环境测控系统的设计

摘要：为了克服温室测控系统中线路多、布线复杂、维护困难等缺点，设计了一种无线环境测控系统。系统由监测终端和探测节点组成，探测节点可以实现对温室中温度、湿度、光照强度和CO2浓度的检测与采集，并实现信息的无线发射；监测终端接收数据并进行分析处理，显示环境信息并作出控制。设计的无线环境测控系统将传感器技术与无线通信技术相结合，工作性能稳定，具有结构简单、可靠性与可扩展性好、布点灵活等特点，有利于温室的智能化和统一化管理。

关键词：温室；传感器；无线传输；单片机

中图分类号：TP277.2 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）04-0356-03

收稿日期：2013-08-22

基金项目：河北省唐山市科技项目（编号：10120201C-7、12140206A-2）；唐山师范学院教改项目（编号：2011001015）。

作者简介：姜丽飞（1977—），女，河北唐山人，硕士，副教授，主要从事测量与控制方面的教学与研究工作。E-mail：jianglifei1977@163.com。随着农业产业结构的调整，我国的农业已经逐步摆脱了延续数千年的耕作方式，走上了现代化、设施化的道路。现代化的温室以其环境可控、易于管理、生产效率高等特点得到了越来越广泛的应用。无线传输技术在工业控制领域的应用不但节约了成本、降低了布线的难度，同时也降低了人工测控的繁琐，提高了生产及管理效率。本研究设计的温室中无线环境测控系统能够做到实时监测温室中的环境信息并作出相应的控制，从而减轻种植人员的负担，促进温室中作物的正常成长。

1系统硬件设计

1.1系统功能设计

本研究设计的无线环境测控系统实现了对温室中温度、湿度、光照强度和CO2浓度的检测，系统由监测终端和探测节点组成。多个探测节点主要完成温室中环境信息的采集及无线发送，探测节点的组成框架见图1。监测终端的框架如图2所示，可以看出监测终端主要由单片机、键盘、液晶显示电路、无线数据收发电路、控制电路和报警电路组成。监测终端具有良好的人机界面，采用C系列液晶显示器OCM4×8C显示温室中当前的空气温度、湿度、光照强度和CO2浓度等参数，系统配有4×4键盘，用于输入控制系统的各参数的预设值。监测终端对接收的数据进行分析后，给出合适的控制信号，经三极管放大后便驱动遮阳网、喷淋装置和通风装置，从而实现温室中温度、湿度和光照强度等环境因子的自动控制。

1.2系统模块的电路设计

1.2.1单片机选型本设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制系统的核心。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 k在系统中可编程的Flash存储器，与工业89C51产品指令和引脚完全兼容。片上的Flash允许程序存储器在系统中可编程，也适用于常规编程器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活、有效的解决方案[1]。 AT89S52单片机引脚图如图3所示[2]。

1.2.2传感器选择（1）空气温度、湿度的检测：温室中温度、湿度的检测采用数字传感器DHT11。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接，因此本产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点；单线制串行接口使系统集成变得简易快捷；超小的体积、极低的功耗，使其成为最为苛刻的应用场合中的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便[3]，图4为DHT11与单片机的接线电路图。

（2）光照度检测：光照传感器利用光敏电阻的光敏特性完成对环境中光照强度的判断。光信号由电阻R1和光敏电阻R2分压的方式获得，光敏电阻的一端接地，通过调节R1来调节电压，使得电阻在不同光照条件下输出不同的电压值，进而经AD转换为数字量。AD7705 是AD 公司新推出的16 位AD 转换器，器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路，可编程数字滤波器等部件，从而直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD转换（图5）。报警电路由蜂鸣器和驱动电路组成，电路简单实用，功耗低。

（3）CO2浓度检测：采用红外CO2传感器LDC-A1检测棚内CO2浓度。LDC-A1量程为0～5 000 mg/L，供电电压 5 V（直流），功耗小于100 mV，该仪器功耗低、防水、抗震动。

1.2.3nRF24L01无线传输电路 系统通过无线收发模块传输现场采集的数据，由于系统所处环境较恶劣，因此对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，本系统采用nRF24L01作为无线数据传输模块。

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，有6路通道的数据接收，工作电压为1.9～3.6 V，为低电压工作；具有自动应答及自动重发功能，具有地址及CRC检验功能，数据传输率为1 Mb/s或 2 Mb/s，SPI 接口数据速率0～8 Mb/s[4]。

nRF24L01有4种工作模式：即接收模式、发送模式、待机模式和掉电模式，其工作模式由PWR_UP、CE和CS3个引脚决定。其中收发模式有2种，即ShockBurstTM模式和增强型ShockBurstTM模式。在ShockBurstTM模式下，nRF24L01可以与成本较低的低速MCU相连，高速信号处理是由芯片内部的射频协议进行的。nRF24L01提供的SPI接口数据率取决于单片机本身的接口速度，通过允许与单片机的低速通信和无线部分的高速通信，ShockBurstTM模式减小了通信的平均消耗电流。本系统设计即采用ShockBurstTM模式[5]。

控制芯片工作的信号引脚有6 个：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引脚功能见表1。图6为无线模块与单片机接线的电路图。

1.2.4电源电路的设计[6]要使单片机稳定可靠地工作，电源必须稳定。220 V电压经变压器降压后，二极管全波整流，电容滤波，经过三端稳压器LM7805进行稳压，可以作为单片机AT89S52及LCD显示电路的电源。由于无线数据传送模块对电源的要求为1.9～3.6 V，因此电路设计用LM317制作稳压电路。电路如图7所示。

2系统软件设计

2.1通信协议

对于一个无线监测系统来说，可以接收很多个探测节点的数据，每个从机都不可以随时更改自己的地址编号，因此需要保证从机编号不能重复，以免发生通信冲突。本试验采用

中断接收方式接收、发送环境信息，在所有的数据传送中都用相同的通信协议来判断通信网络的结构、自己在网络中的位置、执行相应的命令，通信协议中的数据帧结构见表2。

监测终端工作在监控状态下，等待探测节点的数据，接收到的数据如果正确则发送应答信号，显示温湿度、光照信息和CO2浓度；如果接收的数据错误，则丢弃数据，探测节点在规定的时间内收不到应答信号则重新发送。

2.2系统软件

3结论

（1）用NRF24L01无线数据传输模块实现主从机间的温湿度数据传输，数据传输有效距离远，系统抗干扰效果好；（2）系统带有键盘和液晶显示， 具有良好的人机交互，方便使

用；（3）本系统将传感器技术与无线通信技术相结合，具有工作性能稳定、结构简单、布点灵活等特点，能够克服温室测控系统中线路多、布线复杂、维护困难等缺点，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理；（4）系统可靠性与可扩展性好，做相应的改变即可应用于各种需要环境信息监测的系统中。

参考文献：

[1]高旭，朱军 .基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达系统的设计[J]. 电子技术，2010，37（1）：60-61.

[2]余永权. ATMEL89系列单片机应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]倪天龙. 单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60-62.

[4]张崇，于晓琳，刘建平. 单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件，2004（6）：34-36.

[5]刘志平，赵国良. 基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J]. 应用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 电工学[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信号引脚有6 个：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引脚功能见表1。图6为无线模块与单片机接线的电路图。

1.2.4电源电路的设计[6]要使单片机稳定可靠地工作，电源必须稳定。220 V电压经变压器降压后，二极管全波整流，电容滤波，经过三端稳压器LM7805进行稳压，可以作为单片机AT89S52及LCD显示电路的电源。由于无线数据传送模块对电源的要求为1.9～3.6 V，因此电路设计用LM317制作稳压电路。电路如图7所示。

2系统软件设计

2.1通信协议

对于一个无线监测系统来说，可以接收很多个探测节点的数据，每个从机都不可以随时更改自己的地址编号，因此需要保证从机编号不能重复，以免发生通信冲突。本试验采用

中断接收方式接收、发送环境信息，在所有的数据传送中都用相同的通信协议来判断通信网络的结构、自己在网络中的位置、执行相应的命令，通信协议中的数据帧结构见表2。

监测终端工作在监控状态下，等待探测节点的数据，接收到的数据如果正确则发送应答信号，显示温湿度、光照信息和CO2浓度；如果接收的数据错误，则丢弃数据，探测节点在规定的时间内收不到应答信号则重新发送。

2.2系统软件

3结论

（1）用NRF24L01无线数据传输模块实现主从机间的温湿度数据传输，数据传输有效距离远，系统抗干扰效果好；（2）系统带有键盘和液晶显示， 具有良好的人机交互，方便使

用；（3）本系统将传感器技术与无线通信技术相结合，具有工作性能稳定、结构简单、布点灵活等特点，能够克服温室测控系统中线路多、布线复杂、维护困难等缺点，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理；（4）系统可靠性与可扩展性好，做相应的改变即可应用于各种需要环境信息监测的系统中。

参考文献：

[1]高旭，朱军 .基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达系统的设计[J]. 电子技术，2010，37（1）：60-61.

[2]余永权. ATMEL89系列单片机应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]倪天龙. 单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60-62.

[4]张崇，于晓琳，刘建平. 单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件，2004（6）：34-36.

[5]刘志平，赵国良. 基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J]. 应用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 电工学[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.

控制芯片工作的信号引脚有6 个：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引脚功能见表1。图6为无线模块与单片机接线的电路图。

1.2.4电源电路的设计[6]要使单片机稳定可靠地工作，电源必须稳定。220 V电压经变压器降压后，二极管全波整流，电容滤波，经过三端稳压器LM7805进行稳压，可以作为单片机AT89S52及LCD显示电路的电源。由于无线数据传送模块对电源的要求为1.9～3.6 V，因此电路设计用LM317制作稳压电路。电路如图7所示。

2系统软件设计

2.1通信协议

对于一个无线监测系统来说，可以接收很多个探测节点的数据，每个从机都不可以随时更改自己的地址编号，因此需要保证从机编号不能重复，以免发生通信冲突。本试验采用

中断接收方式接收、发送环境信息，在所有的数据传送中都用相同的通信协议来判断通信网络的结构、自己在网络中的位置、执行相应的命令，通信协议中的数据帧结构见表2。

监测终端工作在监控状态下，等待探测节点的数据，接收到的数据如果正确则发送应答信号，显示温湿度、光照信息和CO2浓度；如果接收的数据错误，则丢弃数据，探测节点在规定的时间内收不到应答信号则重新发送。

2.2系统软件

3结论

（1）用NRF24L01无线数据传输模块实现主从机间的温湿度数据传输，数据传输有效距离远，系统抗干扰效果好；（2）系统带有键盘和液晶显示， 具有良好的人机交互，方便使

用；（3）本系统将传感器技术与无线通信技术相结合，具有工作性能稳定、结构简单、布点灵活等特点，能够克服温室测控系统中线路多、布线复杂、维护困难等缺点，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理；（4）系统可靠性与可扩展性好，做相应的改变即可应用于各种需要环境信息监测的系统中。

参考文献：

[1]高旭，朱军 .基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达系统的设计[J]. 电子技术，2010，37（1）：60-61.

[2]余永权. ATMEL89系列单片机应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]倪天龙. 单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60-62.

[4]张崇，于晓琳，刘建平. 单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件，2004（6）：34-36.

[5]刘志平，赵国良. 基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J]. 应用科技，2008，35（3）：55-58.

[6]秦曾煌，姜三勇. 电工学[M]. 北京：人民教育出版社，1964：156-176.