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農業(yè)生產(chǎn)遠程溫濕度監控系統的研究設計論文
0 引言
傳統的農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境一般都是分散且面積比較大的，如傳統種植對環(huán)境的溫濕度要求僅僅源于自然界四季溫濕度變化。這種傳統的種植方式局限于時(shí)令蔬菜，而對于反季節蔬菜的種植，就需要能控制溫濕度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫濕度要求非常精確的種苗培育室。傳統的溫濕度控制采用人工控制方式，耗費大量精力和時(shí)間，控制的精度反而很低，實(shí)時(shí)性非常差。比如，在加熱機構出現故障短時(shí)間內溫濕度發(fā)生劇烈變化時(shí)，人工無(wú)法及時(shí)做出反應，可能會(huì )造成嚴重的后果。為此，設計了一種采用多點(diǎn)溫濕度采集、使用無(wú)線(xiàn)數傳模塊對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及通過(guò)GPRS 模塊將數據發(fā)送到遠程客戶(hù)端便于統計和集中控制的系統。由于采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊，可以隨時(shí)擴展溫濕度采集節點(diǎn)，僅需要通過(guò)更改軟件控制數量即可，并通過(guò)軟件程序對環(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現了無(wú)人值守及遠程監控。
1 系統的硬件設計
本系統主要通過(guò)對各個(gè)節點(diǎn)溫濕度進(jìn)行監測，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳方式將數據傳到主控制模塊，主控制模塊再通過(guò)GPRS 模塊將數據發(fā)送到遠程客戶(hù)端中�？刂七^(guò)程可以通過(guò)主控制模塊直接控制執行機構工作（如加濕器、暖風(fēng)機及鼓風(fēng)機） 等工作，也可以直接在遠程客戶(hù)端中更改控制策略。各個(gè)節點(diǎn)溫濕度監測模塊由AVR 單片機、NRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊、溫濕度采集模塊及報警模塊和電源模塊構成；主控制模塊由AVR 單片機、NRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊、GPRS 模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構成。為了節約成本和維護方便，主控制模塊和節點(diǎn)溫濕度監測模塊的控制核心均由AVR 單片機ATmega8A 構成。
1。 1 控制核心ATmega8A 單片機
本設計采用ATmega8A 單片機，其內部集成了大容量的存儲器，具有豐富的硬件接口，支持SPI、TWI（兼容I2 C 協(xié)議） 協(xié)議。由于采用TQFP 封裝，其功耗和成本大大降低。其片內具有8k 字節的FLASH 存儲器、512 字節EEPROM 存儲器和1k 字節的片內SRAM存儲器。由于采用先進(jìn)的RISC 架構，在16MHz 的工作速度下性能高達16MIPS，支持在系統編程ISP，無(wú)需專(zhuān)用高壓編程器，方便在電路板上調試和維護。ATmega8A 的最小系統電路原理圖。
1。 2 溫濕度采集模塊
為了達到一定精度和可靠性，本系統采用獨有的工業(yè)化CMOSens 技術(shù)的SHT1x 家族中的SHT11 作為溫濕度采集的傳感器。SHT11 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，采用專(zhuān)利的CMOSens技術(shù)，將傳感元件和信號處理電路集成在一個(gè)微型PCB 上，通過(guò)14 位A/D 轉換器將模擬量轉換為數字量（傳感器默認測量分辨率為溫度14 位，濕度12 位，濕度8 位，處理速度提升更加明顯），可同單片機通信采用標準的I2 C 協(xié)議進(jìn)行通信，其溫度測量范圍是— 40 ～ + 123。 8℃，默認分辨率是0。 01℃；濕度測量范圍是0 ～ 100%RH（相對濕度），默認分辨率是0。 03%RH。微處理器包含了非線(xiàn)性和溫度補償，使測量結果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強等優(yōu)點(diǎn)。SHT11 采集的溫濕度數據通過(guò)I2 C 協(xié)議和AVR的TWI 接口通信（ 見(jiàn)圖3），將數據保存在A(yíng)VR 單片機的EEPROM 里，保證數據在系統掉電和異常情況下不丟失；AVR 單片機再將數據整理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊向主控制模塊發(fā)送該節點(diǎn)的溫濕度情況。
1。 3 無(wú)線(xiàn)數傳模塊
無(wú)線(xiàn)通信解決方案有很多種，大型復雜系統可以使用ZigBee 技術(shù)來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信，但是結構復雜，路由設置繁瑣，維護不方便；小型系統可以使用無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)現電子設備間的通信，軟件設置簡(jiǎn)單，調試方便。本設計中采用NRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
NRF24L01 的工作頻段是在2。 4GHz 的ISM 頻段工作的，此頻段是開(kāi)放的，無(wú)需申請許可證即可使用。通過(guò)改變天線(xiàn)形式，發(fā)射和接收距離可以達到1km 甚至更遠，保證了分散式的農業(yè)生產(chǎn)正常工作，改善了傳統布線(xiàn)的高成本的問(wèn)題。由于NRF24L01 采用跳頻技術(shù)，抗干擾性能良好，特別是它具有6 個(gè)數據交互式通道，如果只接收不應答，那么這個(gè)通道可以擴展到126 個(gè)之多，滿(mǎn)足本設計中提出的多點(diǎn)通信和擴展的要求，即增加節點(diǎn)模塊只需更改軟件。
NRF24L01 和AVR 單片機通信采用SPI通訊協(xié)議，最高速率可達8Mbps。由于A(yíng)Tmega8A 自帶SPI 通訊端口，方便通信和連接，硬件可靠性比傳統模擬SPI 時(shí)序接口要高很多。
1。 4 GPRS 模塊
在主控制模塊中還需要配置GPRS 模塊與遠程客戶(hù)端通信，主要放置在主控制模塊的環(huán)境中覆蓋網(wǎng)絡(luò )信號，則GPRS 模塊即可正常收發(fā)數據，實(shí)現遠程監控。本設計中使用的GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300 模塊，使用串口通信方式和AVR 單片機連接，方便調試和維護。
2 系統軟件設計
AVR 單片機嵌入式系統軟件開(kāi)發(fā)平臺有多種，官方也提供一套免費的AVR Studio 集成開(kāi)發(fā)平臺，支持在線(xiàn)硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)平臺，本設計中采用CodeVisionAVR 作為系統軟件設計的開(kāi)發(fā)平臺。
CodeVision AVR 編譯器可以使用C 編譯器，同時(shí)集成IDE 的AVR 開(kāi)發(fā)平臺，軟件本身在基礎頭文件已經(jīng)設置好I /O 口位操作指令，類(lèi)似于51 單片機的sbit 命令，實(shí)際使用中非常直觀(guān)和方便。
在CodeVision AVR 中，提供了非常豐富的庫函數，從基礎的實(shí)現隨機數的庫函數到實(shí)際應用的SPI接口函數等，代碼精煉效率高，大大減小了系統開(kāi)發(fā)周期，為產(chǎn)品早日上市節省了開(kāi)發(fā)成本。本設計中主要使用CodeVision AVR 提供的串行TWI 接口函數、SPI 接口函數及USART 串口函數等實(shí)現對各個(gè)模塊之間的數據輸入輸出控制。另外，被控對象為遲滯性較大的溫度和濕度，所以要求控制函數中加入PID 控制環(huán)節對電動(dòng)機進(jìn)行控制，調節好各個(gè)參數之間關(guān)系，使其實(shí)時(shí)性和可靠性大大增加。
2。 1 AVR 單片機TWI 串行接口軟件設計
AVR 單片機TWI 串行接口主要是溫濕度傳感器SHT11 數據通信使用的。TWI 是一個(gè)帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峰抑制單元，可以消除小于50ns 的毛刺，可靠性、實(shí)時(shí)性和執行效率都非常高。由于A(yíng)VR 單片機TWI 兼容I2C 總線(xiàn)，故本設計中直接對TWI 進(jìn)行操作。程序如下：#asm。 equ _w1_port = 0x15。 que _w1_bit = 2#endasm/* 單總線(xiàn)連接到ATmega8 的PORTC 口，利用PORTC4、PORTC5 口，并且包含1 wire 函數* /#include < 1wire。 h >void sht11_init（void）{w1_init（）； / /對sht11 的SCL 和SDA 初始化}2。 2 NRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊的軟件設計NRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊和AVR 單片機連接采用SPI 接口，對其進(jìn)行操作需要用到的函數包括初始化AVR 和NRF24L01 連接的I /O 端口函數、SPI 寫(xiě)命令函數、SPI 讀命令函數、SPI 寫(xiě)入數據函數、FIFO 函數、RX 模式選擇函數和TX 模式選擇函數等。
3 應用實(shí)例
本文設計的農業(yè)生產(chǎn)遠程溫濕度監控系統主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點(diǎn)使用，選擇150m2的蔬菜大棚設置監控系統作為實(shí)驗對象，每25m2 設置1 個(gè)溫濕度監測節點(diǎn)模塊，共設置6 個(gè)。將主控制模塊放置在距離蔬菜大棚200m 的配電室，在距離蔬菜大棚1km 外的辦公區建立遠程客戶(hù)端。實(shí)地的測試使用中，調節好相應的PID 控制參數，設置適合蔬菜培育環(huán)境濕度和溫度，設置溫度23℃，空氣相對濕度92%；將各個(gè)節點(diǎn)模塊放置在距地面高度為2m 左右為宜，經(jīng)過(guò)系統的實(shí)時(shí)監控，能夠滿(mǎn)足溫度測試誤差± 0。 5℃、相對濕度測試誤差± 3%的要求。同時(shí)，遠程客戶(hù)端設置修改溫濕度值后，現場(chǎng)系統能夠迅速響應并且無(wú)震蕩，可使溫濕度平緩快速地達到設置值。其對于外界的溫濕度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進(jìn)行人工噴水后，系統監測到環(huán)境濕度上升，通過(guò)控制策略控制蔬菜大棚整體的濕度平緩而快速地下降到設置值，保證不產(chǎn)生震蕩。本設計中系統工作在低功耗模式，靜態(tài)電流低于7mA，動(dòng)態(tài)發(fā)送數據時(shí)電流不高于30mA，可以通過(guò)市電電源經(jīng)開(kāi)關(guān)電源變換后進(jìn)行供電，也可以采用太陽(yáng)能蓄電池進(jìn)行供電。如果選擇12V6Ah 蓄電池供電，可以連續工作700h 以上。
實(shí)踐證明：該系統工作穩定可靠、功耗低、維護方便、支持在線(xiàn)調試和無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)擴展，實(shí)際測試中無(wú)線(xiàn)誤碼率和丟包率很低，節點(diǎn)模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
4 結語(yǔ)
本文主要介紹了一種采用無(wú)線(xiàn)數傳模塊和GPRS模塊構成的遠程溫濕度監控系統用于農業(yè)生產(chǎn)的方案，并從產(chǎn)品成本控制、可靠性、實(shí)時(shí)性、實(shí)用性等幾個(gè)方面對系統進(jìn)行設計和優(yōu)化，提出了使用AVR 單片機作為控制核心、SHT11 作為溫濕度傳感器、nRF24L01 無(wú)線(xiàn)數傳模塊作為無(wú)線(xiàn)通信、SIM300 模塊作為GPRS 模塊與遠程客戶(hù)端通信的監控系統。經(jīng)過(guò)實(shí)際的應用和測試，該系統工作可靠，便于維護和升級，適應現代化農業(yè)生產(chǎn)，具有很好的發(fā)展前景。
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