基于无线通信技术的温室环境参数监测系统

赵志华 段志伟

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

温室大棚生产中的重要环节就是对生产环境的一些重要参数进行监测和控制，如空气的温度、湿度、光强及土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与植物的生长、发育和能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化和科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育的规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。传统的温/湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解温室的实际温/湿度，然后根据现有温/湿度与额定温/湿度进行比较，再进行相应的改进措施(通风或洒水)。这些操作都是由人工完成的，耗费了大量的人力和物力。

笔者设计了一套低成本的测控系统，该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机(都用单片机实现)构成，实现温室大棚温/湿度的密切监测[1]。首先确定了设计的总体结构，即以3处不同地点的温室大棚作为采集对象[2,3]，通过传感器采集温度、湿度和光强这些参数；之后由各点的无线系统将所采集到的参数传送到接收端，接收端再将数据送到PC机从而完成监测。

1 总体方案①

计算机控制部分的作用是对温/湿度和光照强度这3个参数进行监测与存储，其中较为重要的是实现对现场温/湿度和光照强度的采集与传输，利用RS232连接线与下位机进行通信。该设计是基于VB的多路采集与处理系统，上位机主要是利用VB进行软件编程，对数据进行跟踪显示，绘制出温/湿度变化曲线，并将数据存储到数据库中的系统软件。利用该软件可以控制下位机的工作，还可以通过输入时间参数对历史温度数据进行查询。

单片机部分是进行数据采集的核心部分，采用STC89C52作为主控单元。首先是3个采集节点的单片机对各自的传感器发送的数据进行处理，然后将处理后的数据通过无线模块发送到连接上位机的单片机中，也就是接收机。最后接收机通过RS232连接线将这3个节点的数据传送至上位机。下位机发送端的结构如图1所示。

图1 下位机发送端框

综上所述，本系统大致可分为5部分：计算机对数据的显示与存储、单片机控制部分、无线模块部分、传感器部分和1602、12864显示部分(图2)。系统的设计过程主要包括软件设计和硬件设计两部分。

图2 系统结构

2 系统的硬件组成

2.1 数据采集单元

数据采集单元由DHT11温/湿度传感器和BH1750光照传感器组成，这两种传感器用在发送端上分别采集温/湿度和光强参数，并将参数传送到单片机。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，确保产品具有高的可靠性和长期稳定性[4]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能八位单片机相连接。因此该产品具有响应快、抗干扰能力强及性价比高等优点，其电路设计如图3所示。

图3 DHT11电路连接

BH1750环境光传感器内置16位模数转换器，能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算，其电路设计如图4所示。

图4 BH1750电路连接

2.2 数据处理单元

STC89C52单片机是目前最常用的单片机之一，此处用作数据处理和控制单元。

2.3 数据传输单元

数据处理单元由nRF24L01模块组成，用在发送端和接收端，它是一款工作在2.4～2.5GHz范围内，世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，其电路设计如图5所示[5]。

图5 nRF24L01电路连接

2.4 数据显示单元

数据显示单元由1602字符型液晶和带中文字库的12864液晶组成。1602字符型液晶用在发送端，显示当前节点的温室参数。12864液晶用在接收端，显示所有节点的温室参数。1602和12864液晶电路连接如图6、7所示。

图6 1602液晶电路连接

图7 12864液晶电路连接

系统的硬件组成主要包括以上几个方面，由数据采集单元采集到数据以后，经数据处理单元进行数据处理，再通过无线技术将各点所采集的参数传送到接收端，发送端电路如图8所示，接收端再将数据送到PC机从而完成监测，接收端电路如图9所示。

图8 发送端电路

图9 接收端电路

3 系统软件

本设计的整体思路是基于nRF24L01具有同时接收多通道的数据功能来进行设计的。首先本设计要完成发送端传感器对温/湿度和光照的测量；然后通过nRF24L01无线模块将参数发送到终端，在此基础上再加入其他两节点；最后通过RS232连接线将数据传送到上位机并在上位机进行数据的显示与存储，从而实现一个无线局域的网络监测。发送端有3个节点，每个节点除了发送地址和标志位不同，其余都是相同的，因而软件总设计流程的发送端不再一一列出，只以其中一个为例(图10)。

图10 软件总设计流程

4 开发界面设计

系统软件中共有两个界面，首先进入的是系统登录界面。登录到系统的主界面后，首先要对串口进行设置：上位机与单片机通过RS232总线进行连接，COM口一般选择COM3，这与计算机的设置有关。串口的设置界面如图11所示。将串口参数设置后，开始进行温室参数的监控。温室参数显示界面如图12所示。

图11 串口设置界面

图12 温室参数显示界面

5 结束语

笔者在理解温室监测技术的基础上设计了一种基于无线通信技术的温室环境参数监测系统，主要是对温室大棚温/湿度和光照强度参数监测的研究与设计。首先通过温/湿度传感器和光照传感器采集温/湿度和光照参数，再以此为节点通过无线通信方式将各节点温/湿度参数统一进行监测。此系统不但提高了监控系统的实时行和有效性，并减少了人工控制测试的温/湿度误差大、费时费力及效率低等问题。