农业生产远程温湿度监控系统的研究设计

包　君

(山东交通职业学院，山东 潍坊　261206)



农业生产远程温湿度监控系统的研究设计

包君

(山东交通职业学院，山东 潍坊261206)

摘要：远程温湿度监控系统主要应用于农业生产的蔬菜大棚、温室、酒窖、种子种苗培育室等需要精确控制环境湿度和环境温度的地方。为此，研究了基于多点温湿度采集无线监控远程控制系统，并从系统的硬件结构、工作原理和软件平台几个方面进行论述。在实际的运行中，该系统具有较高的可靠性及扩展性，适合在农业生产中大面积推广和应用。

关键词：农业生产;温湿度控制;远程监控

0引言

传统的农业生产环境一般都是分散且面积比较大的，如传统种植对环境的温湿度要求仅仅源于自然界四季温湿度变化。这种传统的种植方式局限于时令蔬菜，而对于反季节蔬菜的种植，就需要能控制温湿度变化的蔬菜大棚、温室等，特别是对温湿度要求非常精确的种苗培育室。传统的温湿度控制采用人工控制方式，耗费大量精力和时间，控制的精度反而很低，实时性非常差。比如，在加热机构出现故障短时间内温湿度发生剧烈变化时，人工无法及时做出反应，可能会造成严重的后果。为此，设计了一种采用多点温湿度采集、使用无线数传模块对温湿度进行实时监控及通过GPRS模块将数据发送到远程客户端便于统计和集中控制的系统。由于采用无线数传模块，可以随时扩展温湿度采集节点，仅需要通过更改软件控制数量即可，并通过软件程序对环境温湿度进行实时控制，实现了无人值守及远程监控。

1系统的硬件设计

本系统主要通过对各个节点温湿度进行监测，然后通过无线数传方式将数据传到主控制模块，主控制模块再通过GPRS模块将数据发送到远程客户端中。控制过程可以通过主控制模块直接控制执行机构工作(如加湿器、暖风机及鼓风机)等工作，也可以直接在远程客户端中更改控制策略。各个节点温湿度监测模块由AVR单片机、NRF24L01无线数传模块、温湿度采集模块及报警模块和电源模块构成；主控制模块由AVR单片机、NRF24L01无线数传模块、GPRS模块、显示模块、控制模块和电源模块构成。为了节约成本和维护方便，主控制模块和节点温湿度监测模块的控制核心均由AVR单片机ATmega8A构成，系统硬件框图如图1所示。

图1　系统硬件框图

1.1控制核心ATmega8A单片机

本设计采用ATmega8A单片机，其内部集成了大容量的存储器，具有丰富的硬件接口，支持SPI、TWI(兼容I2C协议)协议。由于采用TQFP封装，其功耗和成本大大降低。其片内具有8k字节的FLASH存储器、512字节EEPROM存储器和1k字节的片内SRAM存储器。由于采用先进的RISC架构，在16MHz的工作速度下性能高达16MIPS，支持在系统编程ISP，无需专用高压编程器，方便在电路板上调试和维护。ATmega8A的最小系统电路原理图如图2所示。

1.2温湿度采集模块

为了达到一定精度和可靠性，本系统采用独有的工业化CMOSens技术的SHT1x家族中的SHT11作为温湿度采集的传感器。SHT11属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列，采用专利的CMOSens技术，将传感元件和信号处理电路集成在一个微型PCB上，通过14位A/D转换器将模拟量转换为数字量(传感器默认测量分辨率为温度14位，湿度12位，湿度8位，处理速度提升更加明显)，可同单片机通信采用标准的I2C协议进行通信，其温度测量范围是-40～+123.8℃，默认分辨率是0.01℃；湿度测量范围是0～100%RH(相对湿度)，默认分辨率是0.03%RH。微处理器包含了非线性和温度补偿，使测量结果更加精确、具有处理速度快及抗干扰性能强等优点。

SHT11采集的温湿度数据通过I2C协议和AVR的TWI接口通信(见图3)，将数据保存在AVR单片机的EEPROM里，保证数据在系统掉电和异常情况下不丢失；AVR单片机再将数据整理后通过无线数传模块向主控制模块发送该节点的温湿度情况。

图2　带ISP在系统编程接口的ATmega8A最小系统原理图

图3　SHT11与AVR单片机连接电路原理图

1.3无线数传模块

无线通信解决方案有很多种，大型复杂系统可以使用ZigBee技术来实现无线通信，但是结构复杂，路由设置繁琐，维护不方便；小型系统可以使用无线数传模块实现电子设备间的通信，软件设置简单，调试方便。本设计中采用NRF24L01无线数传模块实现无线通信。

NRF24L01的工作频段是在2.4GHz的ISM频段工作的，此频段是开放的，无需申请许可证即可使用。通过改变天线形式，发射和接收距离可以达到1km甚至更远，保证了分散式的农业生产正常工作，改善了传统布线的高成本的问题。由于NRF24L01采用跳频技术，抗干扰性能良好，特别是它具有6个数据交互式通道，如果只接收不应答，那么这个通道可以扩展到126个之多，满足本设计中提出的多点通信和扩展的要求，即增加节点模块只需更改软件。

NRF24L01和AVR单片机通信(见图4)采用SPI通讯协议，最高速率可达8Mbps。由于ATmega8A自带SPI通讯端口，方便通信和连接，硬件可靠性比传统模拟SPI时序接口要高很多。

图4　nRF24L01与AVR单片机连接电路原理图

1.4GPRS模块

在主控制模块中还需要配置GPRS模块与远程客户端通信，主要放置在主控制模块的环境中覆盖网络信号，则GPRS模块即可正常收发数据，实现远程监控。本设计中使用的GPRS模块采用Simcom公司的SIM300模块，使用串口通信方式和AVR单片机连接，方便调试和维护。其外围电路如图5所示。

2系统软件设计

AVR单片机嵌入式系统软件开发平台有多种，官方也提供一套免费的AVR Studio集成开发平台，支持在线硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C语言的开发平台，本设计中采用CodeVision AVR作为系统软件设计的开发平台。

CodeVision AVR编译器可以使用C编译器，同时集成IDE的AVR开发平台，软件本身在基础头文件已经设置好I/O口位操作指令，类似于51单片机的sbit命令，实际使用中非常直观和方便。

在CodeVision AVR中，提供了非常丰富的库函数，从基础的实现随机数的库函数到实际应用的SPI接口函数等，代码精炼效率高，大大减小了系统开发周期，为产品早日上市节省了开发成本。本设计中主要使用CodeVision AVR提供的串行TWI接口函数、SPI接口函数及USART串口函数等实现对各个模块之间的数据输入输出控制。另外，被控对象为迟滞性较大的温度和湿度，所以要求控制函数中加入PID控制环节对电动机进行控制，调节好各个参数之间关系，使其实时性和可靠性大大增加。

图5　SIM300外围电路和SIM卡电路原理图

2.1AVR单片机TWI串行接口软件设计

AVR单片机TWI串行接口主要是温湿度传感器SHT11数据通信使用的。TWI是一个带中断的硬件接口，引脚输入有硬件尖峰抑制单元，可以消除小于50ns的毛刺，可靠性、实时性和执行效率都非常高。由于AVR单片机TWI兼容I2C总线，故本设计中直接对TWI进行操作。程序如下：

#asm

.equ _w1_port=0x15

.que _w1_bit=2

#endasm

/*单总线连接到ATmega8的PORTC口，利用PORTC4、PORTC5口，并且包含1 wire函数*/

#include <1wire.h>

void sht11_init(void)

{

w1_init();//对sht11的SCL和SDA初始化

}

2.2NRF24L01无线数传模块的软件设计

NRF24L01无线数传模块和AVR单片机连接采用SPI接口，对其进行操作需要用到的函数包括初始化AVR和NRF24L01连接的I/O端口函数、SPI写命令函数、SPI读命令函数、SPI写入数据函数、FIFO函数、RX模式选择函数和TX模式选择函数等。其主要操作流程如图6所示。

图6　nRF24L01工作流程图

3应用实例

本文设计的农业生产远程温湿度监控系统主要在山东省寿光市蔬菜种植基地作为试点使用，选择150m2的蔬菜大棚设置监控系统作为实验对象，每25m2设置1个温湿度监测节点模块，共设置6个。将主控制模块放置在距离蔬菜大棚200m的配电室，在距离蔬菜大棚1km外的办公区建立远程客户端。

实地的测试使用中，调节好相应的PID控制参数，设置适合蔬菜培育环境湿度和温度，设置温度23℃，空气相对湿度92%；将各个节点模块放置在距地面高度为2m左右为宜，经过系统的实时监控，能够满足温度测试误差±0.5℃、相对湿度测试误差±3%的要求。同时，远程客户端设置修改温湿度值后，现场系统能够迅速响应并且无震荡，可使温湿度平缓快速地达到设置值。其对于外界的温湿度干扰也有很高的灵敏度，如对蔬菜进行人工喷水后，系统监测到环境湿度上升，通过控制策略控制蔬菜大棚整体的湿度平缓而快速地下降到设置值，保证不产生震荡。

本设计中系统工作在低功耗模式，静态电流低于7mA，动态发送数据时电流不高于30mA，可以通过市电电源经开关电源变换后进行供电，也可以采用太阳能蓄电池进行供电。如果选择12V6Ah蓄电池供电，可以连续工作700h以上。

实践证明：该系统工作稳定可靠、功耗低、维护方便、支持在线调试和无线节点扩展，实际测试中无线误码率和丢包率很低，节点模块和主控制模块通信良好不受干扰，测试精度有保证，具有非常高的实用价值和推广价值。

4结语

本文主要介绍了一种采用无线数传模块和GPRS模块构成的远程温湿度监控系统用于农业生产的方案，并从产品成本控制、可靠性、实时性、实用性等几个方面对系统进行设计和优化，提出了使用AVR单片机作为控制核心、SHT11作为温湿度传感器、nRF24L01无线数传模块作为无线通信、SIM300模块作为GPRS模块与远程客户端通信的监控系统。经过实际的应用和测试，该系统工作可靠，便于维护和升级，适应现代化农业生产，具有很好的发展前景。

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Research and Design of Agricultural Production of Remote Monitoring System of Temperature and Humidity

Bao Jun

(Shandong Transport Vocational College, Weifang 261206,China)

Abstract：The main application of remote monitoring system of temperature and humidity for greenhouse vegetables, greenhouse, agricultural production, seed and seedling cultivation room cellar places need precise control of environmental humidity and ambient temperature. In this paper, the main collection based on wireless remote monitoring control system of multi point temperature and humidity, introduced from the system's hardware structure, working principle and software platform in several aspects, and in the actual operation, has a high scalability, reliability of the system, suitable for agricultural production in the extensive promotion and application.

Key words：agricultural production; temperature and humidity control; remote monitoring

文章编号：1003-188X(2016)02-0197-04

中图分类号：S625.5

文献标识码：A

作者简介：包君(1979-)，女，黑龙江虎林人，讲师，(E-mail)xiaohuione@sohu.com。

基金项目：山东省教育厅高等学校科技计划项目(J12LB71)

收稿日期：2015-03-11