基于Wi-Fi的水稻浸种催芽温度监控系统研究

周正，梁春英，刘坤，石建飞

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319）

基于Wi-Fi的水稻浸种催芽温度监控系统研究

周正，梁春英，刘坤，石建飞

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319）

为设计Wi-Fi无线网络的水稻浸种催芽温度监控系统。基于单片机MSP430G2553、传感器电路和无线模块等，通过上位机设定水稻浸种催芽种箱内部温度范围，并实时显示温度，当测量值低于设定范围下限或高于设定范围上限时，系统启动相应的子程序调节温度，使温度达到设定范围，Wi-Fi模块实现了单片机和上位机之间数据的无线传输。后期测试表明系统能够自动调节、采集并实时显示水稻浸种催芽种箱的内部温度，系统与实际人工测定温度几乎没有差异，具有较强的稳定性和可靠性。

Wi-Fi无线网络；单片机；水稻浸种催芽；温度监控

Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如智能手机、平板电脑）等移动终端以无线方式进行数据传输的技术［1］。随着无线通信、嵌入式系统以及网络等技术的快速发展，无线传感器网络在军事和环境监测等领域得到了广泛的应用［2］。与蓝牙、Zigbee技术相比，Wi-Fi技术具有建设便捷、覆盖范围广、传输速度快和投资成本低等优点［3］；与有线网络相比，Wi-Fi最主要的优势就是无需布线，节省成本与空间。实际应用中，在无线网络信号的覆盖范围内，人们可以随时随地获取数据，提高了工作的灵活性和效率。所以除了日常的民用，在工业、农业、海洋开发和探索等领域，Wi-Fi技术都得到了广泛的应用。在农业生产中，将检测控制设备接入网络，人们就可以用笔记本电脑、智能手机等移动终端对其进行监视与控制。

催芽是水稻育苗过程中的重要环节，在水稻浸种催芽过程中需要对浸种催芽箱进行温度控制，以满足种子发芽的环境要求［4］。设计的水稻浸种催芽温度监控系统，以Wi-Fi无线网络技术为基础，以单片机检测与控制电路为核心，该系统的现场测量电路与上位机采用无线数据通信方式，可以通过多种终端随时读取到种箱内部的实时环境参数，同时还可以对系统进行远程控制。该系统具有实用性强、成本低、工作灵活等优点，对于提高水稻浸种催芽的效率和质量具有指导意义。

1 系统总体结构

图1为水稻浸种催芽温度监控系统的数据传输框图，利用Wi-Fi模块，用户通过智能手机（或其他智能移动终端）设定和接收水稻浸种催芽种箱内部的温度数据，监控并实时显示温度。

水稻浸种催芽温度监控系统主要由传感器、单片机电路和Wi-Fi模块构成，其总体设计框图如图2所示。温度传感器负责采集种箱内部的温度。单片机负责温度测量电路和水位测量电路的数据分析和处理。如果测量温度低于设定范围下限，主控制器调用加热子程序，对种箱内部进行加热；如果测量温度高于设定范围上限，主控制器调用注水子程序进行降温。水位传感器负责采集种箱内部的水位，水位到达设定值上限则停止注水。Wi-Fi模块实现单片机电路和上位机之间信号的控制和传输。

图1 数据传输框图Fig.1Data transmission diagram

图2 系统总体设计框图Fig.2Design of whole system

2 系统硬件设计

2.1 单片机

设计中单片机采用美国德州仪器公司生产的MCU（MSP430G2553），该芯片可处理混合信号，并拥有20个I/O引脚和一个10位的A/D转换器，CPU具有16位RISC架构精简指令集，MSP430G2553除程序流指令以外，均为寄存器操作与用于源操作数的7种寻址模式和用于目的操作数的4种寻址模式一起执行［5］。该芯片有两个内置的16位定时器，支持UART、同步SPI和I2C通信的通用串行接口［6］，能够在不到1 μs的时间里从待机模式切换到工作模式，支持JTAG仿真调试。MSP430G2553芯片具有6种操作模式，分别为激活模式（AM）和低功耗模式1～5（LPM1～5），通过控制CPU以及内部时钟和数字控制振荡器，可以最大程度地降低芯片的功耗，其低功耗的特点得到了行业内部的广泛认可［7］。除此之外，芯片的I/O具有较强的外部中断能力，并且每一个I/O都能够进行独立编程。MSP430G2553抗干扰能力强、可靠性强、功耗低，可使用C语言编程，这些特点为试验设计和产品开发建立了良好的基础。

2.2 无线Wi-Fi模块

信号传输是水稻浸种催芽温度监控系统的重要环节，为了实现快速稳定实时信息传输，采用Wi-Fi无线通信［8］。设计中Wi-Fi无线模块采用有人科技有限公司生产的USR-WiFi232-T［9］。该模块采用表贴封装，内置有PCB天线，外置有天线连接器，其工作频率为2.412～2.484 GHz，工作电压为2.8～3.6 V，正常工作温度范围为-40～+85℃，接收灵敏度为-85 dBm，内置天线信号传输距离最大为150 m，外置天线信号传输距离最大为400 m。

USR-WiFi232-T的无线模块既可以配置成一个无线站点（STA），也可以配置成无线接入点（AP）。采用基于AP的无线组网模式，智能手机（或其他智能移动终端）直接连接到AP接口，控制单片机进行通信，如图3所示。

图3 USR-WiFi232-T的组网结构Fig.3USR-WiFi232-T network structure

USR-WiFi232-T模块支持串口透明传输模式，可实现串口即插即用，降低了用户使用的复杂程度。首次使用无线模块时，用户需通过电脑连接其AP接口，并用Web管理页面配置。首先用PC的无线网卡连接USR-WiFi232-T，默认SSID为HF-LPT100，加入网络后在IE浏览器地址输入http：// 10.10.100.254，在无线终端设置项键入模块需要连接的SSID和密码。然后设置工作模式为AP模式，保存后重启模块。打开智能手机选择TCP Client模式，点击连接建立的TCP连接，这样就可以进行远程数据收发。

USR-WiFi232-T与单片机的连接电路如图4所示，单片机的P1.1（RXD）脚直接和USR-WiFi232-T模块的RX脚相连，P1.2（TXD）脚直接和USRWiFi232-T模块的TX脚相连，单片机的RST脚直接和USR-WiFi232-T模块的nReload脚相连，USRWIFI-T模块的GND脚接地，Vcc脚接+3.3 V的电源，其他管脚不用悬空。

图4 Wi-Fi模块电路图Fig.4Wi-Fi module circuit

2.3 温度传感器

设计中温度传感器采用美国DALLAS半导体公司推出的DS18B20智能温度传感器。DS18B20的信息仅需要一根口线读写，数据总线本身可以向所挂接的DS18B20供电，无需外接电源，因而具有结构简单可靠性强的优点。测温范围为-55～+125℃，固有测温分辨率为0.5℃，在-10℃～+85℃范围内，测温误差在0.5℃之内。支持多点的组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。研究选用3脚PR35封装的DS18B20，VDD和GND为电源引脚，I/O为数据输入输出端，用于单片机与温度传感器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，单片机将数据处理后，数字信号以串行通信方式传给Wi-Fi模块，Wi-Fi模块把数据传至上位机进行显示或报警。DS18B20与单片机的连接电路如图5所示。

图5 温度传感器电路图Fig.5Temperature sensor circuit

2.4 水位传感器

设计中水位传感器采用佛山市顺德区宝智电子科技有限公司生产的BZ2401D电子式水位开关。BZ2401D水位传感器的工作电压为5 V，工作温度为-20～+60℃，判断有水时输出高电平，无水时输出低电平，VDD和GND为电源引脚，DATA用于单片机I/O口相连。其电路接口图与温度传感器相似。

图6 水位调节电路Fig.6Water level control circuit

2.5 水位调节与温度调节电路

水位调节与温度调节电路连接在单片机的P2.0和P2.1口上，如图6和图7所示。当种箱内温度高于设定范围上限时，P2.0发出控制信号，继电器1接通，将开关吸合，电动机驱动系统的水位调节设备，水位传感器负责采集种箱内部的水位，水位到达设定水位上限则停止注水；当种箱内温度低于设定范围下限时，P2.1发出控制信号，继电器2接通，将开关吸合，驱动系统的加热设备。

图7 温度调节电路Fig.7Temperature regulation circui

3 系统软件设计

3.1 主程序流程图

系统的主程序流程图如图8所示，系统软件主要由初始化子程序、注水子程序、温度设定子程序和温度控制子程序构成。初始化子程序后，系统将判断单片机控制端口、D/A转换芯片、显示屏、串口寄存器和系统中各个标志位是否响应，如不响应，则返回重新进行初始化子程序。水稻浸种催芽不同阶段对温度的要求不同，因此系统设计中采用了允许在主程序中直接进入温度设定子程序的方式，实现对温度范围上限和下限的设定。

图8 系统主程序流图Fig.8Main program flowchart

3.2 温度控制子程序流程图

温度控制子程序流程图如图9所示，其作用是控制种箱内的水温，使水温总是保持在设定范围内。运行程序后，系统测量和显示种箱内部温度，如果测量在设定范围内，则继续测量监控种箱内部温度；如果测量温度高于或低于设定范围的上限或下限，则主控制器调用相应的注水或升温子程序，对种箱内部进行降温或升温控制。

3.3 初始化、注水和温度设定子程序

初始化子程序的作用是对单片机控制端口、D/A转换芯片、显示屏、串口寄存器和系统中各个标志位进行初始化。注水子程序的作用是在测量值高于设定值时，计算注入冷水的流量，电动阀控制端口输出控制信号，启动注水泵，当温度到达设定值时关闭注水泵，同时监控种箱内的水位变化。温度设定子程序的作用是设定种箱内的温度，并且可以通过Wi-Fi模块把数据发送到上位机实时显示温度。

图9 温度控制子程序流程图Fig.9Temperature control subprogram flowchart

4 测试结果与分析

选取龙粳36水稻为测试材料，将其水平间距分别设定为0 cm和10 cm，垂直高度设定为90 cm，利用此方法设计的基于Wi-Fi无线网络的水稻浸种催芽温度监控系统和实际人工测温方法，分别测定种袋层温度。4月9日的测量结果如图10、图11所示。

图10 水平间距0 cm垂直高度90 cm测量温度的比较Fig.10Comparison of temperature between horizontal distance 0 cm and vertical distance 90 cm

图10表示水平间距设定为0 cm，垂直高度设定为90 cm，人工测定温度与设计的Wi-Fi温度监控系统所测温度的比较，一天内，人工测定温度的范围在27.8～32.9℃，Wi-Fi温度监控系统测定温度的范围在27.8～33.0℃，且在该天中，Wi-Fi温度监控系统测定温度与人工测定温度偏差最大出现在A处，温度偏差为0.3℃，在其余采样时间里，Wi-Fi温度监控系统与实际人工测定温度几乎没有差异。

图11 水平间距10 cm垂直高度90 cm测量温度的比较Fig.11Comparison of temperature between horizontal distance 10 cm and vertical distance 90 cm

图11表示水平间距设定为10 cm，垂直高度设定为90 cm，人工测定温度与此设计的Wi-Fi温度监控系统所测温度的比较，一天内，人工测定温度的范围在33.1～35.7℃，Wi-Fi温度监控系统测定温度的范围在33.0～36.0℃，且在该天中，Wi-Fi温度监控系统测定温度与人工测定温度偏差最大出现在B处，温度偏差为0.4℃，在其余采样时间里，Wi-Fi温度监控系统与实际人工测定温度几乎没有差异。

通过图10、图11，可以看出Wi-Fi无线网络的水稻浸种催芽温度监控系统有较强可靠性和实时性。

5 结论

设计了基于Wi-Fi无线网络的水稻浸种催芽温度监控系统，经过后期测试表明系统能够自动控制、采集并实时显示水稻浸种催芽种箱的内部温度，具有较强的可靠性和稳定性。无线Wi-Fi模块能够实现数据的远距离传输，节省布线的成本，并且可以提高监控的灵活性。系统的后期优化还可以在现场安装摄像装置，通过Wi-Fi模块实现对现场画面的实时观测。该系统具有较强的可靠性和实时性等特点，在农业生产领域具有较好的推广价值和应用前景。

［1］陈文周.Wi-Fi技术研究及应用［J］.数据通信，2008（2）：14-17.

［2］焦腾，张坤，张雯，等.基于ZigBee技术的药厂环境监测系统的开发［J］.仪器仪表学报，2008，29（8）：157-160.

［3］韩霜.基于Wi-Fi的无线传感器网络节点的设计及应用［D］.北京：北京邮电大学，2010.

［4］周修理，张庆宇，于嵩，等.水稻浸种催芽水温控制系统设计［J］.农机化研究，2015（12）：124-129.

［5］褚超群，陈松，刘志杰.基于MSP430的一氧化碳报警系统设计［J］.中国科技信息，2014（1）：110-111.

［6］张烨.基于MSP430G2553智能家居监控系统设计［D］.西安：西北大学，2014.

［7］骆舒萍.户外设备的小型除湿器系统的设计［J］.长春大学学报，2015（12）：8-10.

［8］薛冬雪，赵斌，衣淑娟，等.基于RS485总线的群体育秧棚环境智能监控系统的研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2014，26（3）：23-25.

［9］王威.HCS12为控制系原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

Rice Presoaking Germination Temperature Monitor System Based on Wi-Fi Technology

Zhou Zheng，Liang Chunying，Liu Kun，Shi Jianfei（College of Information and Technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

The rice presoaking germination temperature monitor system was designed based on Wi-Fi technology.Based on SCM MSP430G2553，sensor circuit and Wi-Fi module，temperature of rice presoaking germination cabinet was set by upper computer and displayed on screen.When temperature higher or lower than the set value，corresponding subroutine would be started.Wi-Fi module was employed to transmit information between SCM and upper computer wirelessly.Test results showed that the system could capture and display digital information of the cabinet in real time，and the measured temperature match the manual measurement，which had a strong stability and reliability.

Wi-Fi wireless network；SCM；rice presoaking germination；temperature monitor

S24；S126

A

1002-2090（2016）04-0105-06

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.023

2016-05-06

黑龙江农垦总局公关项目（HNK125B-04-10）。

周正（1989-），女，助教，东北林业大学毕业，现主要从事农业电气化与自动化方面的教学与研究工作。

梁春英，女，教授，硕士研究生导师，E-mail：ndliangchunying@163.com。