温室大棚温湿度实时监测系统设计方法

许东光，王 克，马春华

(1.南阳师范学院 信息化管理中心，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院 机电工程学院，河南 南阳 473061)

1 引言

我国地处亚洲东部，南北纵横跨度大，加上四季变化，人口众多，而且随着人民对于美好生活的要求越来越高，希望在任何季节都能吃上新鲜果蔬，因此对种植业对温室大棚的要求也越来越高。现代化温室首要的问题就是前期投入成本高，农民短时间无法看到效益[1]，加上我国大多数农民知识水平低，缺少较为先进的理念和技术，因此如何能够更有效地降低成本，进而增加果蔬的产量和品质，引起了广大农业研究学者的思考。

国外温室基本为玻璃温室，科学家针对温室研制出不同的系统用以控制，比如自动化控制水肥、智能遮阳时段，温室气体交换系统、温湿度监测及控制系统等诸多方面，有效地控制每一个环节。同时系统采集数据传递到后台控制软件，既能极大地节省人力劳力，又能更为合理地使温室大棚满足果蔬的适宜生长环境。发达国家例如荷兰耕地不足，因此更加注意提高土地利用率和植物果蔬的品质及产量，通过计算机系统总体实现各项监测数据如温室气体、温湿度、水肥等的实时更新及处理，并通过相应设备采取措施控制相关数据指数达到合理要求。如美国的微灌技术，澳大利亚的微喷头，采用监测设备来监测植物果蔬生长过程中的各项要求诸如气体浓度要求、光照需求、水肥利用率等[2]，最后通过相应设备来控制其达到种植植物最优生长需求，一系列措施实现精细化、自动化、智能化，让农产品可以增收增产，同时方便人员管理，减低人员成本。与发达国家高新技术温室相比，我国的温室大棚培育技术还有很长的一段路要走[3]。差距主要体现在以下方面。

(1)成本：国外高新温室科技技术成本较高，在中国很容易出现前期投资过大，且回报周期长。如最便宜的聚碳酸酯覆盖材料1 m2的出厂成本为600多元，且不说安装、后期维护，而简易塑料大棚的成本低至10元。

(2)背景：例如荷兰耕地面积较少，人们不得不把资源控制到每一个小的单位，而中国相对来说，土地面积较大，同时缺失先进的理念和技术。

由于温室大棚环境复杂，加上传统的拉线麻烦且可靠性低，各个温室的要求也各不相同，因此本文立足于如何更实用且便捷地适应各类温室大棚。我国是农业大国对于蔬菜的要求尤其重要, 为了满足14亿人口的蔬菜要求,本文重点讨论如何解决温室中对于温湿度的监测,同时更注重实用性和简便性, 以及尽可能降低所需成本同时又保证质量和产量的要求，以期方便更多的农民，为我国的农业作出贡献。

2 系统总体方案设计

2.1 系统总体设计方案

对于温湿度的监测，采取模块化的温度监测传感器；对于数据的传输方式，选择无线传输；对于数据的实时处理，采取微控制器同时初始化启动一定范围的传感器；对于数据的异常，采取提示报警的设备；对于数据的传输，采取无线网络发送至终端；对于数据的显示和存储，采取数据图像化展示、记录以及不同时段的对比。保证温室果蔬适宜温湿度，从而更好地生长和发育。该系统重点强调温湿度的实时监测、温湿度监测的精度范围是否符合要求、对于多个温度传感器的控制以及数据收集、监测数据的异常波动和处理、温湿度数据的传输和数据的处理。

相应方法概括为：ZigBee无线网络协调器[4]、CC3200微控制器、DS18B20数字型温度传感器、SHT11温湿度传感器、异常数据波动的去噪处理、数据库存储数据并对比、已确认异常状况的报警信号等。相应整体结构如图1。

图1 系统整体结构

2.2 方案论证与元器件选型

2.2.1 微控制器的选取比较

ZigBee网络技术的安全性拥有3种安全模式，且供电只需依靠电池即可运作，不需要拉线。其协议为建立在IEEE 802.15.4标准，即建立在低功耗的局域网协议[5]。无线通信可以迅速建立起通信网络，并且根据具体要求提供更多扩容，使其辐射范围更广，本设计也是看到了这一特点。但是，它也有缺陷，比如信号很容易被障碍物阻挡，但在具体的温室环境中，设备基本建立在温室内部上方，所以基本不需要考虑该缺点。对于CC3200开发板，ZigBee网络技术可以与CC3200的高速局传输速率完美结合，CC3200芯片有众多的终端源，能够极大程度上在芯片不工作时切断电源。同时其可以连接的外部设备提供的众多电路用以实现所需功能。

另外，CC3200微控制器[6]性能属性也是较为强悍，拥有TI目前发布系列中较为先进的电路布局概念，本身为了方便开发人员测试设计了较多的闲置接口供其使用相应功能，其微控制单元为不同的应用场景提供不同的组合。其余底板相连接的控制单元含有双列排序的引脚针，方便开发人员使用特地采用插拔的方式。其模块电路如图2，相应接口电路如图3所示。

图2 模块原理

图3 接口电路原理

2.2.2 温湿度传感器选型

温湿度传感器的选择为重中之重，要求首先保证可以实现相应功能(既可以测温度又可以测湿度)，并且对于温室复杂环境要能够适应，还要确保其温差范围满足所需要求，能够较为迅速地监测温湿度的变化，实用性强。经选择，SHTxx[7]系列传感器比较满足需求，其监测精度较高，差值范围分别为测温小于-40 ℃，湿度差为12 bit。另外测温与测湿器件是紧密连接的。抗干扰能力较强、对于各种较为恶劣的环境适应情况很不错(图4)。

图4 SHT11传感器的相应引脚名称及描述

如图4所示，供电电压为4号管脚VDD相应所需电压范围为2.4～5.5 V，最佳供电电压为3.3 V[8](这点可以专门制作较为简单的由电池变压后的电路即可，同时方便布置)，1号接地，2号DATA用于实现数据的传送，3号SCK控制输入时钟信号，其他NC六个空管脚需要悬空。

2.2.3 WIFI传输模块

ZigBee模块相较于蓝牙传输，其传输范围更广，功耗相比于WIFI传输低，且铺设不需要连接高电压，电池即可，同时其安全协议为三级，数据传输不用担心数据丢失或被窃取。其处理模块和通信本领较为满足要求，能够完成最终将数据传送到终端网站的功能。

3 硬件设计

3.1 CC3200微控制器

CC3200微控制器是一款集成有WIFI网络处理器的单芯片处理器，开发人员可以在CC3200官网获取相应的软件开发工具包，以及相应技术文档，可以实现其与WIFI网络的处理和连接。

CC3200微控制器的WIFI模块可以实现数据的传输，传输对象为终端，而温湿度数据的获取则依靠相应传感器采集到的温湿度数据。微控制器提供的针脚接口可以实现传感器的连接和通过WIFI模块发送温湿度数据。主要WIFI电路图如图5，芯片实物图如6。

图5 主要WIFI电路

图6 实物芯片

3.2 电池模块

由于CC3200的模块引脚要求需要单独供电，图7为其设计拓展引脚的电路图，使其可以连接电池，方便使用。

3.3 温湿度传感器

温湿度传感器器件方面初步选择DHT11，其特点是可以同时检测湿度和温度，并且能够直接以数字方式显示所测数据的具体值。在使用过程中，首先需要矫正测量数据。在实际使用过程中，其也体现出相应的优势，比如复杂环境适应性很好，检测能力也十分灵敏。对比数据，发现其监测数值也是较为精准，如温湿度误差分别为±5%，±2 ℃RH，长时间监测的数据变化没有明显波动。其电量使用情况也是较为可观。

图7 CC3200接口电路

监测温湿度数据的原理为：采集数据并将其转换为电信号，后期再把模型转变为数学模型(模数转换)，并且增大差异。温湿度传感器获得数据之后的数据传输需要与CC3200微控制器相互连接，而微控制器本身的I/O接口仅一个管脚既可以实现采集数据的双向传递，因此较为简单和方便。另外传感器可能存在数据获取太多而微控制器处理速度不够的情况，但是DHT11传感器本身是可以暂时储存较小的采集数据，对于数据的处理传输也是比较人性化的。 DHT11的管脚连接如图8所示。

图8 DHT11 管脚连接

3.4 温度传感器

考虑到温室主要是温度对于植物的影响最大，所以再次选择一个温度模块DS18B20帮助监测温度差值，并且也和DHT11监测的数据做对比优化。该模块交互数据原理较为简单，只需要单片机增添一个可以通信的串口即可，数据传输基本可以实现实时通讯，并且其电路结构也是十分的简单。经测量效果，本模块测量精度也较高，也较为便宜，传送的数据为数字方式，适应能力相对来说更强。相比较DS18B20温度模块[9]，DHT11温度传感器的结构更为简单，布置采集数据较为方便，并且适应性较高。由资料得知，温度传感器的误差是有0.5 ℃，并且其测量温度的范围比较广发，可以基本满足需求，而且实用性非常强，DHT11温度传感器的封装结构使其可以在多种环境中使用，例如室内外温度监测和控制、水下、工厂环境或者设备。用途广，对于各种环境的适应性高。温度传感器的相应原理及过程如图9所示。

图9为传感器读写数据的过程，如前文所述，DHT11传感器只是通过一个串口实现数据的读写过程，但读和写实际上是两个不同的概念和方式，无法同时实现，简单思路就是建立一个较为固定并且准确的读和写时间，规定一定时间采集读取数据，另一部分时间写送给MCU。

图9 测温流程

图10 温度读写流程

3.5 串口设计

传感器能够获得数据只是第一步，第二步协调各传感器获取的温湿度数据，最终传送给终端。如图11所示为串口电路原理图，串口为UART，它转换时使用的芯片为MAX3232.这个芯片的功能是有接受数据和发送信号两个功能，负责电平之间的转换，引脚13→12发送信号，引脚11→14发送信号。RS-232串口通过三个引脚来实现数据的接收与发送，这三个引脚分别为RXD、TXD和GND。

3.6 传感器终端节点设计

所谓传感器终端节点的电路设计，其实也就是温、湿度数据由相应温、湿度传感器先检测，然后采集的数据经由无线通信模块传输两个重要内容。相当于把传感器电路和数据传输电路封装为一个模块，可以实现实时采集的数据能立刻传送到终端网络，而终端节点的模块化也可以依据实地情况可以增加或减少，提高适应性。而终端节点的启动依靠微控制器的控制，传感器采集到数据后，由ZigBee网络传输协调器完成数据的发送。终端节点设计概念如图12所示。

图11 串口电路原理

图12 传感器终端节点设计

环境温湿度是温室里极为重要的因素，节点设计针对传感器的终端节点，如图13所示为传感器的终端节点设计，封装传感器模块使其实现固定的功能，也有利于之后根据大棚的具体面积等状况来扩展和调用，温湿度传感器数据的监测和获取，由微控制器总体以一定时间间隔调用，传感器采集的温湿度数据并发送给微控制器，后控制器处理之后再传输给无线通信模块，实现传输给终端的最终传输。

图13 传感器终端节点设计

4 软件设计

4.1 软件的开发环境

软件开发环境为Keil软件，用来编写以及调试程序， 通过ZStack协议实现协调气的自动组网，软件开发界面如图14所示，终端得到由微控制器无线传送的终端节点所测量的温湿度数据，对其存储，最终以图表的方式显示方便展示数据异常，对于得到的明显有波动的数据提供报警操作，及时通知管理人员处理状况。

4.2 主程序编写与设计

CC3200作为为核心微控制单元控制各种不同类型的温湿度传感器，使用C语言在以CC3200微处理器为核心控制器的编程环境中编程控制，接收通过DS18B20采集到的温度信息，在调试的时候使用串口调试工具，判断异常信息与干扰信号的区别，异常数据作为控制语音模块的开关，最后将信息通过ZigBee网络传输技术上传到PC终端。整体流程如图15所示。

图14 Keil开发环境界面

4.3 无线数据传输相关代码

主要程序如图16和图17。设立函数实现一段时间内对于相应功能作用的调配，既可以有效对比不同时间段的数据，又可以减少多余功耗。至于数据传输也是如此，配合函数的调配传输所检测的数据，以一定时间传送给ZigBee协调器。

图15 系统软件设计整体流程

图16 主要程序1

经由协调器检测的数据，最终传送给终端处理、存储、比对等。

图17 主要程序2

5 系统测试与结果分析

5.1 系统硬件调试

分别实现各种功能，将模块化的温湿度监测系统分别调试并校对数据，最后检查后台终端是否收到协调器传输的各项数据，并检查数据合理性。

5.2 系统测试数据

首先设置所需监测数据的传感器类型，然后开启系统进行测试，把PC终端的串口与ZigBee协调器模块的串口相连接，协调器监测并选择以及连接相应传感器，连接成功后可以设置信号灯或者数值显示的方式显示所连接的传感器模块，组建一个区域的局域网络。网络组建成功后，分别在调试工具和上位机界面可以看到数据的显示， 后台终端界面能够显示各个传感器实时传输的采集数据。串口终端显示如图18所示。

图18 串口终端显示

5.3 结果讨论与分析

采取较为科学的数据采集方式，在相同环境中隔一定时间(20 min)进行数据采集，并连续使检测仪运行3 d的工作量，采集数据经由协调器传输到终端并存储比对，以下是相应数据监测(表1)。

由数据监测结果表得知，所检测温、湿度误差分别为：±0.3、±0.4%RH，把此数据对比成品的测试仪，发现能够大致符合市面上常见的温湿度监测元件可接受的误差数据，所以本设计是较为符合要求的。

5.4 声光报警性能测试

为进上文提到的报警装置属于对于检测装置的一个拓展，比如采集数据达到一定峰值，就打开控制LED蜂鸣器的开关，进行报警，提示工作人员处理。

5.5 无线收发距离测试

虽然经由查资料了解到ZigBee相对于蓝牙传输收发距离较好，速率也较高，但是本着科学的严谨性，具体测量了ZigBee收发距离，实际测试结果显示：ZigBee网络能够覆盖的最小通信范围为100 m×100 m，但ZigBee可扩展，可以使用更多的路由器来扩展通信距离。

6 结论

本文成功设计了温室大棚温湿度实时监测系统，各传感器都能得到相应数据，并能分辨出不同位置的差异，利用CC3200芯片作为核心控制器，实现了ZigBee无线传感网络技术结合温湿度传感器，在温室内部署多个传感器节点，实时的监测同一环境中温湿度的变化和差别，数据传输后方便对比和处理，提供最优解决方案，并且能够检验温室果蔬的最佳适宜温湿度。扩展环节的报警功能能明显减少人力，便于管理人员及时制定措施，为实现现代化温室的无线精准测控提供具有实用价值的参考方案。

表1温湿度数据监测结果对比