基于无线传感技术的分布式温室环境监控系统

刘永健，何业洋，李艳宇，任佳豪，王勇

(安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

“农业不举，百业不兴”，作为中国国民经济发展的基础，农业的重要性不言而喻。改革开放以来，科技推动着现代农业不断发展，如何在传统农业生产的基础上提升农作物的品质和产量，提高生产效率是现代农业面临的主要问题。设施农业是农业现代化的前提，设施农业是指利用农业生产方法在环境条件可调节控制的半封闭设施中进行农业生产的手段。智能温室群作为设施农业的重要组成部分，已经广泛应用在现代农业种植中，是实现高质高效农业生产的途径之一。先进的技术使温室种植打破传统农业在空间和时间上的限制，提高了资源利用率，节约了种植成本[1]。

针对国家对农业经济的发展要求，我们设计了一种集自动检测、通信、控制、报警于一身的温室监控系统。该系统通过MCU的连接与控制，将各种传感器监测到的数据，实时显示在各个节点的显示屏上，并通过无线通信传送至上位机，以便人们进行实时查看。当环境参数超过设定阈值时，会有相应红色指示灯亮、蜂鸣器报警以及手机短信通知，从而实现实时处理环境的不规则变化并有效遏制变化因素对农作物的不利影响。

1 系统总体设计方案

系统采用分布式结构，设计了5个位于温室中不同位置的采样点，每个监测节点采用MK60FX512VLQ15为控制核心的单片机作为控制器，采用DHT11传感器采集空气温湿度，湿度传感器采集土壤湿度,CO2浓度传感器测量空气中的CO2浓度，硅光电池采集光照强度，每隔5 min对环境参数进行一次采集并显示在液晶屏上。当环境参数超过设定阈值，各个节点的红色指示灯亮，蜂鸣器响，手机短信进行通知。系统还通过继电器控制光源强度、风扇、洒水装置和CO2产生装置。同时，系统利用NRF24L01无线模块，将各节点数据实时上传到上位机上显示，以实现温室空气温湿度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度的报警及控制，并能灵活根据用户设置的环境条件要求进行温室内相关区域的环境参数调节。系统总体设计方案如图1所示(图为其中一个节点)。

图1 系统总体分布方案

2 系统具体设计方案

2.1 主控制器

主控制器是整个系统的核心，进行数据的采集、处理、发送等。为了达到系统实时快速响应的要求，选用MK60FX512VLQ15单片机作为主控制器。MK60FX512VLQ15单片机以高性能的32位嵌入式RISC处理器ARM Cortex-M4为内核。该内核具有门数目少，中断延迟短，调试成本低的特点，具有快速中断响应能力，系统频率高达150 MHz，晶振频率高达50 MHz，能很好地满足系统对处理器的要求[2]。

2.2 电源模块

系统采用飞思卡尔可充电电池(7.2 V)供电，通过降压稳压模块LM2596S降压至5 V和3.3 V给各功能模块供电。为防止供电电流不足，分为两路供电，两路降压稳压，以确保每部分都能正常工作。控制单元通过继电器与220 V交流电相连，实现低压控制高压操作，避免危险发生。电源模块示意图如图2所示。

2.3 环境参数采集

2.3.1 空气温湿度采集

DHT11温湿度传感器采用串行单线双向接口，体积小，功耗低，此传感器为4针单排引脚封装，引脚说明见表1。该传感器与MCU的接线方式如图3所示[3]。

MCU的I/O与DHT11的DATA引脚相连。I/O输出并保持一定时间(>18 ms)的低电平后,自动变成输入状态，由于上拉电阻，I/O口与DATA数据线同时变为高电平，等待DHT11的响应信号。当MCU通过I/O检测到DHT11为低电平(响应信号)后，等待DHT11发送数据。MCU根据I/O电平变化接收40位数据。数据传送完成后，DHT11的DATA引脚输出低电平，然后自动变成输入状态，上拉电阻随之变为高电平，等待下一个外部信号的到来。数据时序图如图4所示。

通过DHT11采集的温湿度数据与设定阈值进行比较，根据比较结果启动报警模块。控制流程如图5所示。

图2 电源模块示意图

表1 DHT11引脚说明

图3 空气温湿度传感器模块连接原理图

图4 数据时序图

图5 DHT11软件控制流程图

2.3.2 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器是一个简易的水分传感器，可用于检测土壤的水分，控制土壤的湿度。它通过电位器调节控制相应阈值，湿度低于设定值时，DO输出高电平,高于设定值时DO输出低电平。它内部采用LM393芯片，可使其工作更加稳定。其引脚说明见表2。

设计时，数字量输出DO可以与MCU直接相连，通过MCU的I/O口来检测高低电平，由此来检测土壤湿度；模拟量输出AO和AD模块相连，通过AD转换，可以获得土壤湿度更精确的数值。

2.3.3 CO2浓度传感器

CO2浓度传感器主要由LM393芯片和MG811二氧化碳气体感应探头组成。双路信号输出，分别TTL 电平输出的有效信号为低电平(当为模拟量信号输出及TTL高低电平信号输出，模拟量输出电压0～2 V，浓度越低输出电压越高。其引脚说明见表3。

表2 土壤湿度传感器引脚说明

表3 CO2浓度传感器引脚说明

检测气体浓度超过设定值时，输出低电平信号，红色指示灯亮，该口可直接接MCU的 I/O口)。模拟量输出口AOUT和MCU直接相连，通过自带的AD转换模块，可以获得更精确的CO2浓度数值。

2.3.4 土壤湿度与空气中的CO2采集

将模拟量输出信号口接到一个I/O口上，将模拟信号传给MCU，通过MCU自身所带的ADC模块进行转换。为得到更准确的土壤湿度和空气中的CO2浓度数据，在软件程序上采用平均值滤波，按十位精度采集两路AD数据，然后每路舍弃最值，再各取平均值得到最终数据。具体的软件控制如下。

for(i=0;i<2;i++)

{

k = 0;

max=AD[i][0];

min=AD[i][0];

for(j=0;j<10;j++)

{

if(AD[i][j]>max)

max=AD[i][j];

if(AD[i][j]

min=AD[i][j];

k+=AD[i][j];

}

AD[i][9]=(k-max-min)/(8);

}

G_AD_WATER =AD[0][9];

G_AD_CO2=AD[1][9];}

程序中G_AD_WATER为采集的土壤湿度数据，G_AD_CO2为采集的CO2浓度数据。

将实时采集的数据与设定阈值进行比较，一旦出现采集数据比设定阈值大的情况，则报警模块启动。具体的软件控制流程如图6所示。

图6 传感器软件控制流程图

2.3.5 光照强度检测

常见的光照强度检测一般采用光电二极管或硅光电池。

光电二极管感光面积太小，灵敏度较低，响应时间较长，而硅光电池感光面积大，寿命长，性能稳定，光照强度和光电流线性特性很好。因此，本文选择硅光电池作为光照强度检测元件。

因为硅光电池根据光照强度的强弱相应产生大小电流，所以选择一个1 kΩ电阻与其串联，将电流特性转变为电压特性，这样在通过模数转换交由单片机处理。

2.4 短信通知

SIM900A是一个专门为中国大陆市场设计的2频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT命令使用户能方便使用TCP/IP协议，这在用户做数据传输方向的应用时非常有用。

在本系统中，短信模块SIM900A作为用户(手机)与系统的连接桥梁，通过串行接口与MCU相连[4]，用户(手机)与系统连接示意图如图7所示，SIM900A与MCU连接示意图如图8所示。

图7 用户(手机)与系统的连接示意图

图8 SIM900A与MCU连接示意图

当环境采集模块采集的参数超过预定阈值，通过MK60FX512VLQ15芯片控制SIM900A模块发送短信给事先设置好的联系人进行通知。

2.5 液晶显示

选用的液晶LCD显示屏色彩真，而且面积足够大，能充分显示出处理的数据。

显示屏用于显示温湿度、CO2浓度、光照强度等环境参数的设定阈值以及实时数据等信息，方便用户观察数据。具体的软件控制如下(以空气温度数据显示为例)。

LCD_FStr_CH(site_tem1, up_down[0], BLUE, WHITE);//显示“温”汉字

LCD_FStr_CH(site_tem2, up_down[1], BLUE, WHITE);//显示“度”汉字

LCD_str(site_tem3, ″=″ , BLUE, WHITE);

LCD_float(site_tem4, F16T, BLUE, WHITE);//空气温度数据显示

程序中LCD_FStr_CH()为汉字显示函数，LCD_float()为浮点数显示函数，LCD_str()为字符串显示函数，site_tem1、site_tem2、site_tem3、site_tem4为坐标信息，up_down[0]、up_down[1]为汉字对应的点阵，BLUE(蓝色)、WHITE(白色)为汉字显示的颜色，F16T为采集的空气温度数据。

2.6 无线通信

NRF24L01共有8个引脚，分别是IRQ、MISO、MOSI、SCK、CSN、CE、VCC、GND。其中：IRQ是外部中断引脚；VCC是3.3 V供电脚(需要用LM2596S降压到3.3 V)；其余为控制和数据传输引脚[5]。NRF24L01主要通过SPI接口与MCU通信。

NRF24L01具有6个通道(通道0至通道5)可以传输数据，因此，设置5个采集点，各安装1个NRF24L01，另外在上位机处也放置1个NRF24L01，用于随时接收数据，通过串口反馈给上位机。

SPI通信工作在读状态时，CSN变低, 从机在主机SCK的频率下开始传输数据。主机MOSI引脚开始发送8 bit的SPI读命令字，同时从机通过MISO引脚将自己所处的状态传输给主机的STATUS寄存器，当状态位发送完毕后，主机开始读取在MISO数据线上的数据。SPI通信读操作时序图如图9所示。

SPI通信中，可以一次读取或写入多个字节，顺序为低字节在前，高字节在后，每个字节是高位在前，低位在后。

图9 SPI通信读操作时序图

3 控制方案

本系统采用温湿度传感器、CO2浓度传感器、硅光电池采集相应的环境参数，通过液晶屏进行实时显示，并通过无线通信传输至上位机。环境参数至少有一种出现异常时，单片机产生控制信号，一方面启动报警模块和短信模块，蜂鸣器响，红色指示灯亮，手机短信通知；另一方面使对应继电器所在的220 V交流电支路导通，从而实现终端负反馈控制：调控光源强度、洒水装置、CO2产生装置、风扇等。控制方案具体流程如图10所示。

图10 控制方案流程图

3.1 分布式传感器网络的构建

将5个采样装置分别放置在温室的4个角以及中心点，每个采样点具有图1所示的各个要素，能够监测到封闭温室范围内的环境参数。

每个采样点的基本单元为分布在中心位置的报警模块、液晶屏、短信模块以及分布在4个角的温湿度传感器、CO2浓度传感器、硅光电池。这样的分布安排可以保证每个采样点的周围环境参数采集的准确性，提高应对局部异常情况的快速反应能力。

从局部到整体，通过各个传感器的相互联系与影响构成了分布式的传感器网络。

3.2 各传感器的功能结构

各个传感器的数据输出口与MK60FX512VLQ15微处理器的众多I/O口连接,MCU从采集传感器处获得各个环境参数数据，其他传感器通过接收MCU的指令完成相应的报警、通知用户、发送数据、显示数据等功能。各传感器之间必须保证互不干扰。

3.3 无线通信传输采集数据

MCU将获得的各环境参数数据串行存储到各个相应的数据数组中，按照软件设置的发送顺序，SPI通信将数据传送给NRF24L01，再通过串口实时发送到上位机。工作人员能够实时方便地通过上位机看到各个采样点反馈的数据。

3.4 阈值判定及其影响

将每次采集到的数据在MCU内部先通过软件与刚开始设置好的各参数的阈值进行比较，根据比较结果分两种情况：

第一种情况：当某一数据超过阈值，根据相应的单片机的控制信号，各个执行器实现负反馈作用。MCU会根据支路发出的控制信号(高低电平)，触发相应硬件连接线路上的继电器变成通路，继而通过自动控制过程产生负反馈。同时，报警模块和短信模块进入工作状态，及时通知工作人员。

第二种情况：如果数据都未超过阈值，则一切运转正常。

4 系统工作性能与运行效果分析

测试一：液晶显示屏数据显示。查看液晶显示屏，能够看见温湿度、CO2浓度、光照强度等参数的设定阈值及其相应的实时数据显示在显示屏上，并且人为地改变环境参数时，数据往正确的趋势变化。

测试二：上位机数据显示。上位机能够实时显示环境参数的数据，人为改变环境参数时，数据也在变化。

测试三：环境参数异常。运用控制变量法，人为地控制某单一采集数据超过设定阈值。红色指示灯亮，蜂鸣器响，报警模块正常工作；用户手机收到报警短信，短信模块正常工作。控制单元中的每个环境参数对应的模型交流灯泡亮(代表实际的工作模型)。

如上所述，本文设计的所有功能均能实现，且工作稳定性很好，系统能够实现预期效果。

5 系统特色

每个监控节点配备一个液晶显示屏,这样方便人员实时监控和了解每个节点的具体情况。5个节点与主机之间全部是通过无线方式发送数据和接收数据，避免了布线的麻烦，同时减少了工作量与应用成本。主机采集到5个节点的数据之后，通过串口通信将数据实时传送给上位机，实现了数据远程监控,管理人员只要坐在上位机前就能知道每个节点的具体数据参数。本系统成本低,具有推广价值和广阔的市场应用前景。

6 结语

本系统结合当下热门的物联网应用技术，通过对无线传感网络的分布式结构的架设，构成一个经济高效的温室环境监测与控制系统，系统整体运行稳定，对环境变化敏锐，当温室环境异常时，控制器可有效打开相应执行机构对温室环境进行调节。对于温室管理人员，本系统有效减轻了其工作量。此外，传统人工对温室环境进行监测的方式具有明显的滞后性，无法在环境变化的第一时间做出及时处理，从而造成一些不必要的经济损失。本系统可对数据进行实时显示，用户可远程实时查看系统状态，做到环境变化实时跟踪，有效避免不必要的经济损失。因此本系统具有很高的实用价值。