2018 年第 5 期 61 方案與應(yīng)用 與 楊紫含 * 沈王姚 蘇和平 覃 浪 范麗琴 喻偉闖 * 摘 要 為監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等參數(shù)，設(shè)計(jì)了一套基于無(wú)線通信的溫室大棚數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)作為主控模塊，多個(gè)傳感器采集溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)，采用無(wú)線射頻模塊 對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并顯示給用戶，以便用戶調(diào)節(jié)溫室大棚的環(huán)境因子。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性 好、穩(wěn)定性強(qiáng)、可視化強(qiáng)、成本低、便于擴(kuò)展和集中式監(jiān)控等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于室內(nèi)農(nóng)作物種植 管理。 關(guān)鍵詞 溫室大棚；無(wú)線通信；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī) doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2018.05.016 * 湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院 湖北恩施 445000 * 湖北民族學(xué)院科技學(xué)院 湖北恩施 445000 基金項(xiàng)目 湖北民族學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 （2016CX110） 0引言 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，溫室大棚不斷地?cái)U(kuò)大，逐漸 走向現(xiàn)代化，對(duì)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因素監(jiān)測(cè)的要求也就越來 越高 1 。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程中，其生長(zhǎng)和產(chǎn)量受到溫度、 濕度、CO 2 濃度、光照強(qiáng)度等很多環(huán)境因素的影響 2 。由于 溫室大棚的分散性、區(qū)域化較強(qiáng)，給環(huán)境數(shù)據(jù)采集帶來諸多 困難，為此設(shè)計(jì)出一種基于STM32單片機(jī)和nRF24L01無(wú)線傳 輸模塊的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離條件下對(duì)溫室環(huán)境信息 的監(jiān)測(cè)。通過本系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到溫室內(nèi)的各項(xiàng)我們需要關(guān)注 的物理參數(shù)，然后對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行較合理的、動(dòng)態(tài) 的分析，幫助農(nóng)主觀察農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)來提高農(nóng)業(yè)品的數(shù) 量和質(zhì)量 3 。 1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫濕度傳感器、光照檢測(cè)傳感 器、CO 2 檢測(cè)傳感器來完成對(duì)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集，所采集 的數(shù)據(jù)直接交由處理器STM32F103處理，處理之后的數(shù)據(jù)由 無(wú)線模塊nRF24L01來實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)的線傳輸，最終在電腦終端 顯示 4 。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示： STM32單片機(jī) 溫濕度傳 感器 光照檢測(cè) 傳感器 CO2檢測(cè) 傳感器 無(wú)線設(shè)備 電腦 終端 圖1 系統(tǒng)總體框圖 2018 年第 5 期 62 方案與應(yīng)用 與 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 主控制器模塊 系統(tǒng)的微處理器模塊選用STM32F103ZET6，它是STM32 家族中一款增強(qiáng)型系列的單片機(jī)，使用高性能的32位 Cortex-M3的內(nèi)核，工作頻率為72MHz，具有豐富的增強(qiáng)I/O 口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，綜合性能好 5 。 2.2 溫濕度檢測(cè)模塊 圖2 DHT11測(cè)量電路 溫濕度檢測(cè)模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一 款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它采用專 用的溫濕度傳感和數(shù)字模塊采集技術(shù)，具有很高的精度、分 辨率和可靠性，采用單線制的串行接口將所得的數(shù)字信號(hào)送 至處理器 6 。DHT11的測(cè)量電路如圖2所示。 2.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊采用不區(qū)分光源數(shù)字型光強(qiáng)傳感器 BH1750，它能根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境檢測(cè)，具有1 至65535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化。 OSC為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部工作時(shí)鐘，通過相應(yīng)的指令操 作即可讀取內(nèi)部存儲(chǔ)的光照數(shù)據(jù)。當(dāng)內(nèi)部的接近人眼反應(yīng)的 高精度光敏二極管檢測(cè)到外部光照時(shí)，通過集成運(yùn)算放大器 將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，通過AD轉(zhuǎn)換獲得16位數(shù)字量， 利用兩線式串行總線來實(shí)現(xiàn)與STM32連接的建立，完成數(shù)據(jù) 傳輸 7 。圖3為光強(qiáng)傳感器的測(cè)量電路。 圖3 BH1750測(cè)量電路 2.4 二氧化碳濃度檢測(cè)模塊 MG811型二氧化碳?xì)怏w傳感器對(duì)二氧化碳有較高的靈 敏度和選擇性等優(yōu)點(diǎn)，可測(cè)的數(shù)據(jù)范圍為0-10000ppm 8 。 MG811采用固體電解質(zhì)電池原理，由下列固體電池構(gòu)成：空氣、 碳酸鹽、NASICON。其工作原理如下：當(dāng)傳感器置于二氧化碳 氣氛中時(shí)，將發(fā)生以下電極反應(yīng)： （1）負(fù)極：2li+CO 2 +1/2O 2 =LiCO 3 ; （2）2Na+1/2O 2 +2e-=Na 2 O; （3）LiCO 3 +2Na=Na 2 O+2Li+CO 2 。 傳感器敏感電極與參考電極間的電勢(shì)差（EMF）符合能 斯特方程：MEF=Ec-(R*T)/(2F)ln(P(CO 2 ) 上式中：P(CO 2 )是CO 2 分壓，Ec為常量，R表示氣體常量， T表示絕對(duì)常量，其單位是K，F(xiàn)為法拉第常量。在不同的濃 度下將會(huì)輸出不同的電勢(shì)，并通過I 2 C協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入 和輸出。 2.5無(wú)線通信模塊 采用nRF24L01芯片是一款新型單片RF收發(fā)一體器件， 工作于2.42.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器模塊、功 率放大器模塊、振蕩器模塊、調(diào)制器模塊等功能模塊組成， 并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻 道可通過編程進(jìn)行配置。nRF24L01功耗很低，在-6dBm的 功率發(fā)射時(shí)，工作電流大約9mA；接收模式時(shí)，工作電流約 為12mA；具有掉電模式和待機(jī)模式兩種低功耗工作模式，使 設(shè)備更加節(jié)能。nR F24L01采用GFSK調(diào)制，具有自動(dòng)應(yīng)答和 自動(dòng)再發(fā)射功能，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼的特性。 nRF24L01的工作模式見下表1。 2018 年第 5 期 63 方案與應(yīng)用 與 表1 nRF24L01工作模式 nRF24L01 所處模式 PWR_UP 位狀態(tài) PRIM_RX 位狀態(tài) CE引腳 電平 FIFO 寄存器 狀態(tài) 接收模式 1 1 1 - 發(fā)送模式 1 0 1 數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄 存器中 發(fā)送模式 1 0 10 停在發(fā)送模式，至 數(shù)據(jù)發(fā)送完 待機(jī)模式II 1 0 1 TX FIFO 為空 待機(jī)模式I 1 - 0 無(wú)數(shù)據(jù)傳輸 掉電模式 0 - - - 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)初始化之后，軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，單片機(jī)對(duì)所采集的物理信息進(jìn)行處 理，然后編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與無(wú)線通信模塊之間的信息傳遞， 并顯示在電腦終端 9 。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。 初始化 溫濕度、光照強(qiáng)度、CO 2 濃度檢測(cè) 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)發(fā)送 終端顯示 開始 結(jié)束 圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖 4 結(jié)語(yǔ) 本系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)，將傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù) 相結(jié)合，對(duì)主要影響植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子溫度、濕度、光照 強(qiáng)度、CO 2 濃度進(jìn)行及時(shí)測(cè)量,并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢功能。 整個(gè)系統(tǒng)能夠安全、可靠、實(shí)時(shí)、全面、高效地將溫室大棚 環(huán)境信息展現(xiàn)在管理人員的面前,方便工作人員對(duì)相關(guān)環(huán)境 因子進(jìn)行調(diào)控,極大地提高農(nóng)作物生長(zhǎng)管理效率。 參考文獻(xiàn)： 1李立揚(yáng),王華斌,白鳳山.基于ZigBee和GPRS網(wǎng) 絡(luò)的溫室大棚無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控 制,2012,20(12):3148-3150. 2賈寶欣.一種基于無(wú)線傳感網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)D.大連海事大學(xué),2015. 3樊健.基于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的溫室大棚監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) D.安徽大學(xué),2016. 4張慧穎.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,53(14):3402-3406+3411. 5楊永超,譚曉娥,劉曉妤.一種簡(jiǎn)易直流電子負(fù)載的設(shè) 計(jì)J.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,32(02):203- 205+221. 6劉俊宏,裴翀,盧會(huì)國(guó),李從英.溫室大棚氣象環(huán)境監(jiān) 測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào),2014,4(05):90-95. 7郭亮.基于嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)的大棚溫室參數(shù) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)D.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2012. 8辛艷輝,袁合才.基于單片機(jī)和TC35i的溫室大棚智能 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(13):8093-8094. 9牛青松,胡永強(qiáng),鄧西金,李積雲(yún).基于無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.安徽農(nóng)業(yè)科 學(xué),2016,44(24):235-237+243. 【作者簡(jiǎn)介】 楊紫含（1997-），女，漢族，湖北省仙桃市人，湖北民 族學(xué)院信息工程學(xué)院創(chuàng)新中心學(xué)生，主要從事智能控制研究； 喻偉闖（1982-），通信作者,男，碩士，主要從事智能 控制、嵌入式研究。 （收稿日期：2018-04-18）