多点农业大棚无线数据采集与远程控制系统

Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

刘学君，卓思超，戴 波，卢 浩，刘智峰LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng（北京石油化工学院，北京 102617）

检测与监控

多点农业大棚无线数据采集与远程控制系统

Multipoint wireless data acquisition and control system for greenhouse

刘学君，卓思超，戴 波，卢 浩，刘智峰
LIU Xue-jun， ZHUO Si-chao， DAI Bo， LU Hao， LIU Zhi-feng
（北京石油化工学院，北京 102617）

针对现有大棚经营中对信息获取及控制方面的需求，以无线数据收发为总思想，将大棚内部数据的采集与相关控制反馈任务分别分配给系统分节点与主节点，从而设计了大棚数据采集与远程监控系统，各个大棚分节点以单片机MSP430G2553为控制核心，借助DHT11数字温度传感器采集湿度信息，而后利用NRF905完成无线射频组网通信，最终主节点通过R232串口与PC机进行通信，上位PC机实时得到各个大棚的监测数据，同时能下发卷帘、加热等指令。

温室大棚；NRF905；数据采集；无线通讯

0　引言

近年来农业大棚生产由于其高效性已成为世界农业发展趋势［1］。介于大棚内农作物生长受到其温湿度等诸多因素影响，大棚内的温湿度参数都应被及时监控，从而保证作物在最适宜环境下生长。长期以来我国大棚内对此类参数的监控多依靠人工经验［2］此类人工管理存在调控效果不及时、调控精度差、失误率高等缺点，为了实现对农业大棚的智能监控，田辉辉、郭佳等人提出借助CAN总线的农业环境监控系统［3，4］，这一有线信息传输方式有连接稳定、信息交换速率及效率较高的优点，然而又有着布线繁琐、移动性差、安装维护成本高等诸多问题。

为实现对农业大棚的智能管理，本文设计了基于NRF905的多点无线数据采集与远程通讯系统。系统可依靠DHT11数字温湿度传感器完成信息采集，并利用NRF905进行无线射频通讯，上位机以MSP430G2553为控制核心，并能通过串口通讯与PC机进行通讯。

1　系统总体设计

多点农业大棚无线数据采集及远程监控系统包括上位PC机，主节点和多个子节点组成，主节点借助433MHz的无线通讯模块形成星型的无线网络。内部各个子节点与主节点双向通讯，但是各节点间互不相通。农业大棚内部各区域的温湿度数据可被子节点采集，子节点将温湿度信息借助NRF905模块传输给主节点，主节点及上位机一方面负责汇总子节点信息并对相关数据进行显示，此外还负责处理来自上位机的控制命令，将来自PC机的指令下发给各个子节点，实现对农业大棚温湿度的全局控制。

2　系统硬件设计

2.1主节点硬件设计

在通讯链路中，主节点负责对子节点传送来的数据信息进行显示和上传，同时对子节点进行控制命令的下发等任务。选用的硬件模块主要有有微控制器MSP430G2553、无线收发模块nRF905、液晶显示模块OLED、键盘模块以及电源模块等，其硬件结构如图1所示。根据该应用需求，射频收发模块选择12dBi高增益天线。

图1　主节点硬件结构图

对主节点控制中心选型时，选取了TI公司的低功耗16位单片机MSP430G2553，所具有的16kB闪存和512B 的RAM足够使用，而且它所具有的低功耗及其他五种节能模式使得其在1MHz频率和2.2V电压条件下的运行功耗仅为230μA，待机状态下功耗仅为0.5μA，适应我们所需要的节能属性。并且内置的2个16位定时器、1个通用的串行通讯接口也足够编程所用。

无线收发模块负责主节点与子节点间的无线数据传输，采用用挪威Nordic公司的无线射频芯片nRF905。一次的数据传输量最多为32B，最大传输速度可达到100kbps，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏最大为-100dBm。工作电压为1.9V～3.6V，此外其功耗非常低，以-10dBm的输出功率工作时，芯片的发射电流只有11mA，于接收模式运行时的电流为12.5mA。内部具有空闲模式与关机模式，可实现节能目的。由于我国433MHz频段可以免费使用，所以本系统使用433MHz频道进行无线数据通信。nRF905内置点对多点通信地址控制，适用于本系统中心控制模块和各个下位机间的通信。

此外为实现主节点与PC机间的信息交流，需要借助CH340T串口转换器。

为了方便用户操作及查看相关信息，我们利用液晶屏来显示相关信息，液晶屏采用OLED12864液晶显示屏，OLED12864为128×64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块，采用 4.5V～5.5V供电。

2.2子节点硬件设计

子节点主要实现对农业大棚环境温、湿度信息的采集以及接收主节点下发的控制指令对执行机构进行控制等功能。主要硬件有微控制器MSP430G2553、温、湿度检测模块DHT11、无线收发模块nRF905、执行机构、液晶显示模块OLED以及电源模块。其硬件结构如图2所示。

图2　子节点硬件结构图

温湿度检测模块在系统中负责检测农业大棚中的温、湿度信息，采用数字温湿度传感器DHT11。它与一个高性能8位单片机相连接，工作电压为3V～5.5V，湿度测量范围为20%～90%RH，湿度测量精度为±5%RH，温度测量范围为0～50℃，测温精度为±2℃，信号传输距离可达20m以上，能够广泛应用于各个领域。

其中DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4毫秒左右，芯片有专用的通信协议，可通过软件测量高电平时间来确定数据，最终接收数据分小数部分和整数部分。执行装置有卷帘机的三相交流电机，电加热棒、继电器、通风口的直流电机。子节点根据来自上位PC机的指令控制相应的继电器和接触器的通断，进而控制相应的执行装置，以实现对农业大棚中温湿度的调节。接触器的控制电路如图3所示。

图3　接触器控制电路图

3　通信协议

通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。通信协议设计是软件设计的重点，也是通信可靠性的保证。

主节点与上位PC机串口通信设定协议，如表1～表2所示。

本系统中主节点与各通信子节点之间需构成完整的通讯网络以保证射频通信的可靠性，nRF90芯片本身不带组网协议，为此系统设计了nRF905通信协议，如表3～表6所示。

表1　上位PC机向主节点下传控制指令协议（总长度8个字节）

表2　主节点向上位PC机上传数据协议（总长度12个字节）

表3　子节点上传主节点数据协议（总长度16个字节）

表4　子节点上传主节点ACK

表5　主节点下传子节点控制指令

表6　主节点下传子节点ACK

本系统是一个主节点对多个子节点的网络结构，为实现主节点全网广播的功能，为各个子节点都定义了相同的物理地址0XE7。但为了区分各个子节点，本系统在网络层为每个子节点分配了唯一的IP地址，主节点在接收到数据后通过该地址来判断接收到的数据是哪个子节点上传来的。子节点通过该网络地址来判断主节点下发的控制指令是不是给自己的，如果不是则不接收。

若出现数据传输因干扰发出错误或是现场停电等状况，主节点则不能接收到回传的应答信息，为保证通信可靠，本系统在主节点与子节点通信时设定了数据重发机制［8］。当主节点收到子节点上传的数据时需要及时回复给子节点一个ACK应答信号，子节点收到ACK表明数据上传完成，否则进行数据重发，直到收到ACK为止。同样当子节点收到主节点下发的控制指令时也会回复给主节点一个ACK，主节点以此信号来判断子节点收到控制指令，若没有则重发，但在5s后主节点仍没有收到ACK，则认为本次控制指令发送失败，主节点认为该子节点出错，并反馈给上位PC机。

4　系统软件设计

4.1上位PC机程序设计

上位PC机主程序主要完成各个子节点数据的接收、分析及存储。如果数据在设定的范围之外，则下达控制指令，对相应农业大棚中执行机构进行控制。

4.2主节点程序设计

主节点主程序主要完成定时接收各子节点采集到的数据且进行实时显示，并与上位PC机进行串行通信，当上位PC机下发控制指令时将指令下发给相应的子节点，它是上位PC机与子节点之间的纽带。主节点主程序流程如图4所示。

主节点与子节点间借助NRF905模块进行通讯，在NRF905处于接收模式时对数据进行保存并发送返回ACK，若切换到下发指令模式时则定时下发控制指令到对应子节点，直到接收返回ACK后切换回接收模式。

4.3子节点程序设计

子节点主要负责采集农业大棚中的温湿度信息，并将这些数据定时发送至主节点，同时接收来自主节点的控制命令，并根据这些命令控制相应执行装置。子节点主程序流程图如图5所示。

4.4实验结果

图4　主节点主程序流程图

图5　子节点主程序流程图

为了验证系统方案的正确性，本实验包括10个子节点，1个主节点和1个上位PC机。每路子节点按顺序进行IP地址编号，每路子节点接一路DHT11温湿度传感器，和四路继电器、接触器的执行机构，分别控制开帘，闭帘，加热和通风。上位PC机采用串口与主节点数据传输，主节点采用无线传输与各个子节点通信。通信距离空旷场地约为400米。改变任何一个子节点的温湿度，经过约2秒钟左右，主节点和上位机能接收到任何子节点的温湿度数据，并实时更新。上位PC机发出控制指令，下位机在1S内，子节点能准确接收数据，实时控制对应的执行机构，对于本设计来说，可以忽略该时延。该系统连续工作24个小时，采样控制运行正常，具备可靠稳定的优点。

5　结束语

本设计是以MSP430单片机为核心，结合NRF905无线通信设计了多点农业大棚无线数据采集与远程控制系统。可实现对多个农业大棚中温湿度信息的无线实时监测，并完成开闭帘、加热、通风等的远程控制。经过实验表明，该方案运行良好，可靠性高，很好地解决了大棚蔬菜种植中的许多实际问题。参考文献：

［1］ 李金莹，杨宏业，吕文艳.物联网技术与我国设施农业发展［J］.安徽农业科学，2013，41（19）：8344-8346.

［2］ 张瑞娟.基于无线温度传感器和GSM短消息的蔬菜大棚温度监测报警系统设计［J］.淮阴师范学院学报（自然科学），2011，10（3）：212-216.

［3］ 田辉辉，王熙.基于CAN总线的农业温度监控系统设计［J］.农机化研究，2013，（6）：174-177.

［4］ 郭佳，任博，张侃谕.基于CAN的FCS型智能温室系统的设计与实现［J］.自动化与仪表，2010（9）：32-35.

［5］ 曾国敬，宋跃，何志辉.一种智能家居远程控制系统的硬件设计［J］.电子技术应用，2011，37（4）：81-84.

［6］ 吴波.89C52单片机系统的USB接口［J］.信息科技，2012，45（16）：84-89.

［7］ 谢春生，宋坦路，石成.串口通信协议的制定方法［J］.黑龙江科技信息，2009，（33）：83-83.

［8］ 计芳，张小鸣.基于nRF905无线通信的MAC协议研究［J］.常州大学学报：自然科学版，2012，4（24）：63-67.

［9］ 徐曦，谢晓尧，徐洪峰.无线传感网中一种基于多信道节能机制［J］.湖南科技大学学报（自然科学版），2014，29（4）：85-88.

TP23

A

1009-0134（2016）08-0045-05

2016-03-08

北京市自然科学基金（13000031019）；北京市教委科技计划面上项目（15032221001/006）；北京石油化工学院科技创新资助项目（15031862005/052）；北京石油化工学院优秀青年教师和管理骨干培育计划项目（08031862008/040）；北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目（2016014222000041）2015年北京市大学生科研训练计划深化项目（16032082003/005）；2015年北京高等学校高水平人才交叉培养毕业设计（创业类）支持计划项目

刘学君（1977 -），男，副教授，工学博士，研究方向为光通信和单片机开发等。