智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)中多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)中多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要：介紹了一個(gè)以單片機(jī)(AT89C51)為核心基于nRF905的具有無線通信功能的智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)中多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，給出了系統(tǒng)的參數(shù)測量電路，對系統(tǒng)的多機(jī)通信和低功耗進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)lOOkbps，可靠性高，功能易擴(kuò)展，適用于多種領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)；多機(jī)通信；低功耗0 引言智能溫室監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最關(guān)鍵、最重要的環(huán)節(jié)。就蔬菜的生長環(huán)境而言，溫度、濕度、光照、CO。和土壤pH值等是其最基本的因子。溫度不僅要根據(jù)蔬菜的不同生長階段而定，而且與光照強(qiáng)度有很大關(guān)系。濕度也是溫室中一個(gè)重要的參數(shù)。

2、因此，作為監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對以上參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與分析處理，以便進(jìn)行相應(yīng)的控制，使智能溫室為蔬菜的生長提供一個(gè)良好的環(huán)境。有線連接方式采集溫度、濕度、光照等信號及傳輸數(shù)據(jù)，這雖然滿足了監(jiān)測要求，但是存在線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等問題心1。為了解決這些問題，本文研制了一種多參數(shù)無線傳輸監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了無線收發(fā)芯片nRF905，其發(fā)射功率為10dBm，使用環(huán)形PCB天線，室內(nèi)傳輸距離可達(dá)iOOm，室外傳輸距離可達(dá)200m。隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，以及國家對三農(nóng)的的高度重視，特別是國家2012農(nóng)業(yè)國家一號文件頒發(fā)后。國家科技園、各大農(nóng)業(yè)園區(qū)、農(nóng)場等農(nóng)業(yè)機(jī)構(gòu)企業(yè)積極尋求在良種培育、節(jié)本降耗、節(jié)水灌

3、溉、農(nóng)機(jī)裝備、新型肥藥、疫病防控、加工貯運(yùn)、循環(huán)農(nóng)業(yè)、海洋農(nóng)業(yè)、農(nóng)村民生等方面的高新技術(shù)，力求突破現(xiàn)存的農(nóng)業(yè)技術(shù)瓶頸，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。 浙江托普儀器有限公司和浙江大學(xué)合作積極響應(yīng)科技興農(nóng)政策突出農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新重點(diǎn)，研發(fā)出農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過通過射頻識別（rfid）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備等新型技術(shù)將農(nóng)業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)連接起來提大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率和精細(xì)管理，避免了“瘦肉精”、 “毒辣椒粉”、“紅心鴨蛋”等問題的再次發(fā)生，保證了食品的安全和產(chǎn)量。目前此物聯(lián)系統(tǒng)已在全國多家科技園、示范園區(qū)、農(nóng)場、科研所、院校等區(qū)域成功運(yùn)行，技術(shù)穩(wěn)定成熟，功能齊全。為在農(nóng)業(yè)種植

4、業(yè)、畜牧養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)建立智能化控制、信息化管理的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施將大大提高國家推進(jìn)科技創(chuàng)新增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的步伐。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將開啟農(nóng)業(yè)生產(chǎn)騰飛的新篇章。 托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)品均屬于自有品牌，自主研發(fā)生產(chǎn)。 托普農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括三個(gè)層次：感知層：采用各種傳感器（如溫濕度、光照、CO2、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、土壤溫濕度等）獲取植物的各類信息。傳輸層：信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和信息路由設(shè)備傳到控制中心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由配對、任意監(jiān)控、互不干擾。應(yīng)用層：根據(jù)WSN獲取植物實(shí)時(shí)生長環(huán)境。圖溫濕度、光照參數(shù)等，收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和管理實(shí)現(xiàn)整個(gè)測試點(diǎn)的信

5、息動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息進(jìn)行自動(dòng)灌溉、施肥、噴藥、降溫補(bǔ)光等控制、對異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。加裝攝像頭可以對每個(gè)大棚和整個(gè)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。1 多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由中央控制器Pc與各個(gè)采集單元組成。每個(gè)采集單元包括溫度檢測器、濕度檢測器、光度檢測器及單片機(jī)和nRF905模塊等，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光度等多參數(shù)的采集并通過單片機(jī)AT89C51和無線模塊nRF905把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的監(jiān)測。同時(shí)，通過點(diǎn)對多點(diǎn)的方式可實(shí)現(xiàn)不同采集單元與Pc機(jī)間的通信，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位置的多參數(shù)的監(jiān)測。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測，且抗干擾性能強(qiáng)。2 多

6、參數(shù)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)21 濕度采集電路濕度傳感器采用DALLAS半導(dǎo)體公司推出的單總線數(shù)字測溫Ic芯片DSl8820。DSl8820芯片的管腳簡單，它無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測量，與單片機(jī)交換信息僅需要一根IO口線，如圖2所示。每個(gè)DSl8820在出廠時(shí)都有一個(gè)唯一的64位的光刻序列號，可支持多節(jié)點(diǎn)測溫，使設(shè)計(jì)大為簡化；測溫時(shí)無須任何外部元件，測溫范圍是一55+125，測溫精度為05度；內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器，通過內(nèi)部的溫度采集、AD轉(zhuǎn)換一系列過程，最后將溫度以規(guī)定的格式轉(zhuǎn)換為16位數(shù)據(jù)并輸出，并將數(shù)據(jù)還原為溫度值。22濕度采集電路濕度傳感器采用HSll01電容式傳感器。HSll01電容

7、式傳感器將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于接受的信號，可以將該濕敏電容置于振蕩電路中，組成多諧振蕩電路，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與其呈反比的電壓頻率信號，可以直接被單片機(jī)計(jì)數(shù)器所采集。這樣電路就可以方便地與單片機(jī)相連接，輸出信號為頻率型，靈敏度高、線性度好，具有優(yōu)良的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度，從降低采集電路的成本等因素進(jìn)行考慮，采用脈沖振蕩電路來設(shè)計(jì)濕度采集電路，如圖3所示。此電路為典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。集成定時(shí)器555芯片外接電阻尺2，尺4與濕敏電容C，構(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內(nèi)比較器

8、，便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。23光照采集電路電路選用的硅光敏二極管型號為3DUOSOC，光譜范圍為4501150nm，用于可見光、紅外光檢測。光度采集電路，如圖4所示。由于硅光敏二極管輸出的是極其微弱的光電流，大約是2斗A，因此需要一個(gè)放大電路，這是一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流一電壓轉(zhuǎn)換電路。硅光敏二極管輸出電流信號經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，放大器輸入電阻相對光敏二極管可以視為短路，則放大器的輸出電壓為v0：一fiR，這種方式可以獲得線性良好的電流一電壓變換。3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)31 PC機(jī)與分控機(jī)的多機(jī)通信問題多機(jī)通信，由多址來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)nRF905都可以通過單片機(jī)來賦予不

9、同的地址，地址的位數(shù)和內(nèi)容都由用戶自定義，因此編程靈活，理論上可以支持無限多個(gè)地址。Pc機(jī)的串口發(fā)出的數(shù)據(jù)可設(shè)為與8051串行數(shù)據(jù)格式相匹配的11位格式，11位數(shù)據(jù)幀由l位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位和1位停止位組成，其格式為：nRF905模塊可以由用戶自定義地址，因此可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。在配置nRF905時(shí)使地址為一個(gè)變量，這樣就可以任意地修改每個(gè)發(fā)射機(jī)的地址，而接收機(jī)通過不同的地址與發(fā)射機(jī)相匹配，來實(shí)現(xiàn)對各個(gè)發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)的接收。本系統(tǒng)因?yàn)橐獙?shí)時(shí)監(jiān)測溫度，各個(gè)發(fā)射機(jī)的地址已固定，接收機(jī)通過不同的地址來接收不同的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)。因此，多機(jī)通信的控制由用戶通過接收機(jī)的按鈕來完成。多機(jī)通信部

10、分的關(guān)鍵程序如下：32低功耗問題在無線通信領(lǐng)域，低功耗始終是一個(gè)關(guān)鍵性的問題，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)自身的電源控制寄存器PCON來實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。電源控制寄存器的格式為若寫一個(gè)字節(jié)到PCON，使IDL等于I，單片機(jī)即進(jìn)入待機(jī)方式。在待機(jī)方式下，振蕩器繼續(xù)運(yùn)行，時(shí)鐘信號繼續(xù)提供給中斷邏輯、串口和定時(shí)器；但是提供給CPU的內(nèi)部時(shí)鐘信號被切斷，CPU停止工作。這時(shí)，堆棧指針SP，程序計(jì)數(shù)器PC，程序狀態(tài)字PSW，累加器AAC以及所有的工作寄存器內(nèi)容都被保存下來。·通常CPU耗電量占芯片耗電量的8090，所以CPU停止工作就會(huì)大大降低功耗。在待機(jī)方式下，AT89C205i消耗的電流可由正常的30mA降為3mA，甚至更低。通過中斷實(shí)現(xiàn)低功耗的程序如下：當(dāng)T0計(jì)數(shù)到最大值216時(shí)產(chǎn)生溢出中斷，單片機(jī)即由待機(jī)模式進(jìn)入到正常工作模式，所有的主程序都放到中斷中來處理。單片機(jī)的大部分時(shí)間是處于待機(jī)狀態(tài)的，而且單片機(jī)在待機(jī)的同時(shí)，nRF905模塊也處于待機(jī)狀態(tài)，電流只有12uA左右。因此，此系統(tǒng)發(fā)射機(jī)部分的功耗非常低，經(jīng)測定在沒有采取節(jié)電措施前的電流為35mA，在加人低功耗程序后，總電流只有46mA。采取低功耗措施前后的效果經(jīng)多次測定，如表1所示4 結(jié)論本文介紹了一個(gè)基于nRF90