单片机的蔬菜大棚控制系统的硬件设计 精品.docx
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单片机的蔬菜大棚控制系统的硬件设计精品
1绪论
1.1引言
在我国，利用塑料大棚种植蔬菜技术在各地区已广泛流行，尤其是种植蔬菜大棚在北部地区已成为农民致富的途径之一。
温室对农作物生长的的影响是好是坏，产品质量的高低，关键在于温室环境条件对作物生长和发展需要的适宜性。
因此，准确地监测温室中的环境因素才能确保高效率、高产量、高质量和低消耗。
无线传感器网络是一种包含了传感器、智能控制、无线通讯、嵌入式等多门学科于一体的综合技术，这一新兴的学科从诞生之日起就因为其潜在的广阔应用前景而受到了许多学者与研究者的青睐，很有引发一场新技术革命的势头。
众多随机分布的微小节点组成了无线传感器网络，无线传感器网络节点不需要任何的网络基础设施，它自带数据处理、传感器、无线通信等多个模块，借助它的传感器模块并通过自组织方式构成网络，有效地与物理环境融合。
无线传感网可以实时监测、感知和采集网络分布区域里的各种环境以及监测对象的信息，然后把这些信息通过无线网络传输到数据处理中心。
1.2研究背景及意义
近十多年以来，我国发展农业信息化的核心已经趋向于发展精准农业，首先它要求采用先进的信息采集技术进行实时、快速、并较低成本地获取农业数据，从众多获取的数据中提取有用的信息来制定农业管理以及生产的科学决策，最后通过人工控制或者种种智能农业机械等措施来达到预期的农作物生产技术经济目标。
迅速发展的无线传感器网络符合上述的要求并且能够极大地扩展现有监控网络的覆盖范围，因此，我们可以预见，无线传感器网络在蔬菜大棚环境控制中具有一片光明的应用前景。
随着快速发展以及日趋成熟的无线技术，无线通信技术也发展到了一定的阶段，其发展技术越来越成熟，方向也越来越多样化，众多的采用方案也开始应用无线技术进行数据通信和采集。
低功耗高集成数字设备以及微机电系统的发展，实现了小体积、低功耗、低成本的传感器节点。
这样的节点配合各种类型的传感器，能够组合成无线传感器网络，广泛应用于战场监控、大规模环境监测以及大区域内部的目标追踪等领域的无线传感器网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。
传感网络和传感技术已经被学者们认定为最重要的研究之一。
由于无线传感器网络节点大多由电池供电，通常其工作环境也比较恶劣，而且数量大且更换极其困难。
无线传感器网络最重要的设计准则之一是它的低功耗，所以为了使其可靠且耐用，它迫切地需要对传统嵌入式应用开发技术进行更新和完善，并且需要精心地设计软硬件系统。
无线传感器网络是融合了嵌入式软件硬件、传感器、无线通信、芯片制造、智能控制等多种学科的综合性技术，这个新兴学科从一开始诞生就由于其潜在并广阔的应用前景而受到了众多学者和研究者的青睐，大有引起一场新技术革命的势头。
无线传感器网络是由大量随机分布的微小节点组成的，网络节点自身带有传感器、数据处理、无线通信等模块，不需要任何网络基础设施，通过自组织的方式组网，借助其传感器模块，有效的与物理环境交互，能够协作的实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境和监测对象的信息，并把信息通过无线网络传输到数据处理中心。
随着无线传感器网络应用日益地发展和不断地深入，未来无线传感器网络的发展趋势与热点将会是支持无线传感器网络超微型嵌入式操作系统的研究。
虽然无线传感器网络的研究工作起初是出于军事目的，但是随着研究工作的不断深入和广泛，使得目前民用系统占据了大部分，并且已在自然环境观测及预报、动植物监视、保健医疗等方面进行了试探性的研究。
无线传感器网络在资源受限的条件下完成感知、通信和控制功能是其面临的主要技术挑战，这些限制主要包含有限的通信能力、计算能力、存储空间以及有限的能量供给。
系统软件对管理以及操作这类设备的支持是目前最缺少的关键技术，无线传感器网络的核心是支持传感器网络系统的操作系统。
1.3蔬菜大棚控制技术发展现状
我国在引进与自我开发并进的过程中发展了现代化温室，国外从20世纪70年代就开始研究温室环境控制技术。
起初是应用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录与控制。
目前世界各国的温室控制技术都在迅速发展，某些国家在实现自动化的基础上正向着无人化、完全自动化的方向发展。
现在部分经济发达的国家和地区已经研制并实现了计算机自动控制的现代化高科技温室，而且形成了使人惊羡的农作物土厂。
然而我国的温室系统属于半开放式系统，温室内部的环境控制水平相对比较低，仍需靠人工根据经验来管理。
此外，由于国内的控制系统主要应用于单因子控制，从而使得设施现代化水平相对较低，对温室环境的调控能力较差，产品的产量和质量难以得到保证。
所以正是这些发挥着主力军作用的塑料大棚与日光温室正在逐步解决城乡人民的蔬菜供应问题。
蔬菜大棚是一个能够改变农作物生长环境、为农作物生长提供最佳条件、避免四季变化以及恶劣气候等外界环境对其影响的场所。
蔬菜大棚把采光覆盖材料用来作为部分或者全部的结构材料，使农作物能够在冬季或者其他不适宜露地农作物生长的季节生长。
温室大棚生产以实现产期的调节，促进生长发育，病虫害的防治以及提高质量、产量等为目的。
而温室大棚设施的关键技术是环境控制技术，该技术的最终目标是提高控制与作业的精度。
随着蔬菜大棚现代化的发展，由于设施园艺工程涉及的学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，从而使得世界各国开始越来越重视它，此外，这也为我国的大型现代化温室发展提供了非常好的机遇，而且产生了巨大的推动作用。
就目前国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境的控制技术基本上经历了三个发展阶段:
（1）手动控制；
（2）自动控制；（3）智能化控制。
1.4蔬菜大棚信息传输存在的问题
就根据当前的研究情况来看，中国蔬菜大棚信息传输存在的主要问题是不同的系统之间兼容较为困难。
由于各控制器、传感器系统的执行机构各不相同，因而在进行信息传输时会出现各部件之间的不兼容。
目前国外的大型农用设备之间的信息传输大都采用CAN总线标准规范，但各公司内部又都有自己独立的CAN总线高层用户协议，因而成为用户研究以及二次开发的障碍。
对于蔬菜大棚的信息传输而言，今后需主要解决的问题是使得系统中传感器的各个部分标准化、数字化、网络化，从而进一步地实现实时采集与分时存储功能。
2无线传感器网络技术
2.1引言
无线传感器网络技术一种是由多门学科交叉组成的研究领域，从而涵盖了大量的研究方向，无线传感器网络技术具有与生俱来的应用相关性，即使是使用通用平台构建的系统也无法达到最优的效果，它的应用定义要求网络中节点设备可以在有限的能量供给下实现对目标的长时间监控，从而一切技术元素的优化目标是网络运行的能量效率。
人们通过无线传感器网络可以在任何的时间、地点以及环境条件下获取详细可靠的信息。
从某种意义上来说，无线传感器网络将会把物理上和逻辑上的信息世界交互在一起，从而极大地扩展了现有的网络范围且提高了人类认识世界的能力。
2.2无线传感器网络的特点
无线传感器网络系统通常由精简功能设备节点、全功能设备节点、协调节点和路由节点组成。
众多的微型传感器节点分布在监测区域内部或者附近，并且可以通过自组织方式组成网络。
传感器节点监测到的数据跟着其他传感器节点逐步跳跃地进行传输，在传输过程中监测到的数据可能会被多个节点处理，经过多跳之后路由到汇聚节点，最后通过互联网到达管理节点。
具体来说，无线传感器网络可分成两个组成部分：
传感器节点与传感器网络。
传感器网络节点组成了无线传感器网络，其应用和监测物理信号的不同决定了传感器类型，从而节点的功能以及性能也会不尽相同。
无线传感器网络节点基本上是由处理器模块、传感器模块、无线通讯模块与能量供应模块四个模块单元组成。
处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据；传感器模块负责监测区域内部信息的采集和数据的转换；无线通信模块主要负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息以及收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供了运行所需要的能量，一般采用微型电池。
传感器节点在无线传感器网络中能够作为数据中转站、数据的采集者或簇头节点。
作为数据中转站，节点除了完成数据采集这项任务之外，还需要接收邻居节点的数据，并且将这些数据转发给距离基站更近的邻居节点；作为数据的采集者，数据采集节点可以收集周围环境的数据，通过通信路由协议直接或间接的将数据传输到远方的基站；作为簇头节点，节点主要负责收集该簇内所有节点采集到的数据，经过数据融合之后，再发送给基站。
现在常用的无线传感器网络主要包括：
移动通信网、无线局域网、蓝牙网以及Ad-Hoc网络等，同这些传统的网络相比，无线传感器网络具有以下几个特点：
1、低功耗
无线传感器网络的节点体积小大多采用电池供电，每一个节点的能量都是有限的，而且要求它能够长时间的完成监测任务。
因此，需要求传感器节点的各个元器件整体功耗比现有各网络都要低。
在无线传感网的设计中，设计者首先要考虑的是尽可能降低传感器节点的能耗，延长网络生命的周期，而不是提高带宽的利用率和服务质量。
2、广播通信频繁
由于无线传感器网络拓扑结构会不断的变化，在某一时刻节点周围的邻居节点数量和各个节点之间的通信质量也可能会发生相应的变化，因此节点需要频繁使用广播方式来获取邻居节点的信息，邻居节点交换能量信息以及路由信息等。
此外，信源和
信宿节点之间需使用多跳的方式进行无线转发，并用广播方式建立两节点之间的通信
路径。
3、较强的自组织能力
无线传感器网络节点是随机分布的，因此要求它能够完成自组网，并且通过内部的协调完成对信息的采集与传输。
总的来说，就是要求传感器节点能自动地进行管理和配置，通过网络协议自动形成发送数据的无线多跳网络。
若有新的节点加入到网络中或网络中的某些节点能量耗尽，或者由于环境因素而导致节点功能失效时，网络的拓扑结构要能够根据这些动态变化自动地进行调整。
4、应用相关性强
设计无线传感器网络必须要适应具体的应用环境，应用环境不同对网络的性能要求也不同，从而对网络协议的设计要求也不相同。
因为无线传感器网络有限的能量资源，所以无线网络进行节点设计时必须要在各种性能之间进行取舍。
5、网络动态变化大
无线传感器网络是一个动态的网络拓扑结构，它会不断的发生变化。
可以改变网络拓扑结构的原因有多个方面，其中包括网络中各个节点之间的相对地址发生变化、某些节点的能量耗尽而死亡、新节点的加入以及某些通信链路中断，需要对通信网络进行调整来平衡各节点的能耗，因此网络中的这些动态变化就要求其具有极其强大的可重构性。
2.3无线传感网的关键支撑技术
（1）、无线传感器网络的安全技术
安全通信与认证技术在军事以及金融等敏感信息传递应用中有着直接的需求。
因为传感器网络的部署环境与传播介质的开放性，所以它很容易受到各种攻击。
但是受无线传感器网络的资源限制，直接应用完整性认证、安全通信、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。
目前，研究人员一方面需要探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能会遭遇到的各种攻击形式；另一方面还需要设计安全强度可控的精巧协议与简化算法，从而满足传感器网络的现实需求。
（2）、无线传感器网络时间同步技术
时间同步技术的基本要求是完成实时信息采集，这种技术也是提高定位精度的关键手段。
通过时间同步协议完成节点间的对时是其常用的方法，并通过滤波技术抑制时钟噪声与漂移。
目前，利用耦合振荡器的同步技术来实现网络无状态自然同步的方法也倍受瞩目，这是一种高效率的、能够无限扩展的时间同步新技术。
（3）、分布式数据管理和信息融合
分布式动态实时数据管理是以数据中心为主要特征的，它是无线传感器网络的重要技术之一。
该技术通过部署或指定某些节点为代理节点，代理节点根据监测的任务采集相关数据，监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区的节点。
在整个体系中，无线传感器网络是被当作分布式数据库独立存在的，它的目的是实现对客观物理世界的实时与动态监测。
（4）、基于无线传感器网络的自定位和目标定位技术
定位跟踪技术包括节点自定位以及网络区域内的目标定位跟踪，目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位与跟踪，大多是建立在节点自定位的基础上。
节点自定位指的是确定网络中节点的自身位置，这是随机部署组网的基本要求。
定位跟踪技术是一种室外通常采用的自定位手段，但因为一方面其成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效，所以传感器网络更多是采用混合定位方法，通过手动部署少量的锚节点，其他节点再根据拓扑和距离的关系进行间接位置估计。
3系统分析和总体设计
3.1对无线传感器系统的要求
该系统由温湿度传感器DHT11、光照传感器BH1750FVI、STC89C52单片机、无线收发芯片NRF24L01、液晶显示LCD1602、报警电路和电源模块组成。
传感器节点通过自组织的方式构成网络，将采集到的数据沿着其它的节点逐步进行传输，最终传输到显示模块进行数据显示。
主要的技术指标
（1）、通信频段：
2.4-2.4835Hz
（2）、通信和组网：
负责监测环境信息的传感器节点通过自组织方式搭建无线网络，并且向基础服务和管理层提供服务支持
（3）、节点可靠通信范围：
100m
（4）、传感器精度：
温度0.3℃（25℃时）、湿度2.0%RH（20%—80%RH）、光照强度1lx
3.2系统组成及工作原理
3.2.1系统组成
本系统由传感器模块、数据处理模块、通信模块、液晶显示模块、报警电路模块和电源模块这几个部分组成。
线发送模块由无线模块NRF24L01、温湿度传感器模块DHT11、光照传感器模块BH1750FVIFVI以及单片机STC89C52组成；无线接收模块由无线模块NRF24L01、液晶显示模块LCD1602和单片机STC89C52组成。
系统节点模块结构图如下图3.2所示：
图3.2节点模块结构图
3.2.2工作原理
本系统采用温湿度传感器DHT11和光照传感器BH1750FVI实现对蔬菜大棚环境内温湿度和光照强度参数的监测，构成系统的传感器模块；传感器模块定时检测这些参数，检测到这些参数后，通过无线模块NRF24L01发射出去，当无线接收模块接收到这些参数后，则会将这些参数显示在液晶显示模块LCD1602上面，与此同时，当无线接收模块接收到的这些参数大于某个阀值时，则蜂鸣器就会报警。
用STC89C52单片机实现对蔬菜大棚环境参数的数据处理；采用无线收发芯片NRF24L01来实现无线收发功能，从而完成对蔬菜大棚环境参数的控制。
多个无线传感器节点通过无线通信的方式形成了一个多跳自组织网络，其中的各个节点将会把采集到的数据按照最近的路线逐个传递到离监测中心最近的传感器节点，再从节点发送到监测中心。
3.3系统软件设计
软件设计大体包含5个内容，首先是湿度传感器DHT11与光照强度传感器TSL2561的节点控制，将检测到的数据传给单片机，单片机对其进行数据融合处理和PID控制算法，利用键盘的控制将要输出的内容通过液晶显示屏显示出来，最后由串行口将数据传输到远程控制中心，实现对农田环境的监控。
软件结构如下图3.3所示：
图3.3系统软件结构
软件部分主要包括系统初始化、主程序模块、温湿度传感器DHT11、光照强度传感器TSL2561、多传感器数据融合技术、系统的控制策略PID算法、键盘输入模块、液晶显示模块，串口通信模块几个部分，是用来实现硬件的功能。
4系统硬件设计
4.1STC89C52高性能8位单片机
（1）、STC89C52基本介绍
STC89C52是采用ATMEL高密度非易失存储器技术制造的，它与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集相兼容。
该器件是一个高性能、低功耗的CMOS八位微控制器，它具有8K的系统可编程Flash存储器，STC89C52使用的是经典的MCS-51内核，它的最高运作频率为35MHz。
但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机所不具备的功能。
在单片机的芯片上，具有灵敏的8位CPU以及系统可编程Flash存储器，使得STC89C52为大量的嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
此外STC89C52能够降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
图4.1.1STC89C52引脚排列图
（2）、STC89C52功能特性
1.有8K字节程序存储空间
2.有512字节数据存储空间
3.有32位I/O口线
4.看门狗定时器
5.内置4KBEEPROM
6.MAX810复位电路
7.有3个16位定时器/计数器
8.有4个外部中断
9.包含一个七向量四级中断结构，能够兼容传统51的五向量二级中断结构
10.全双工串行口
（3）、STC89C52主要参数
1.有6时钟/机器周期与12时钟/机器周期两种可供任意选择，指令代码能够完全兼容传统的8051
2.工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
3.工作电压：
2.0V～3.8V（3V单片机）或者3.3V～5.5V（5V单片机）
4.具有8K字节的用户应用程序空间
5.片上集成有512字节的RAM
6.有32个通用I/O口，复位之后为P0/P1/P2/P3；P0口是漏极开路输出，当它作为总线扩展使用时，不用加上拉电阻；当它作为I/O口使用时，则需要加上拉电阻
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用仿真器，无需专用编程器，能够通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序
8.具备EEPROM功能
9.有3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2
10.通用异步串行口（UART），还可以用定时器软件实现多个UART
11.外部拥有中断4路，下降沿中断或者低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
13.PDIP封装
4.2NRF24L01无线模块设计
（1）、NRF24L01基本介绍
NRF24L01是一款新型的单片射频收发器件，它工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段；其内置功率放大器、晶体振荡器、调制器、频率合成器等功能模块，并且融合了增强ShockBurst技术，其中输出功率与通信频道能够通过程序进行配置。
NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
（2）、NRF24L01主要特点
1.GFSK调制
2.硬件集成OSI链路层
3.具有自动应答和自动再发射功能
4.片内自动生成报头和CRC校验码
5.数据传输率为lMb/s或2Mb/s
6.SPI速率为0Mb/s～10Mb/s
7.具有125个频道
8.与其他nRF24系列射频器件相兼容
9.QFN20引脚4mm×4mm封装
10.供电电压为1.9V～3.6V
（3）、NRF24L01引脚说明
引脚
名称
引脚功能
描述
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
11
VDD-PA
电源输出
给RF提供+1.8V电源
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
12
ANT1
天线
天线接口1
3
SCK
数字输入
SPI时钟
13
ANT2
天线
天线接口2
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
14
VSS
电源
接地（0V）
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
15
VDD
电源
电源（+3V）
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
16
IREF
模拟输入
参考电流
7
VDD
电源
电源（+3V）
17
VSS
电源
接地（0V）
8
VSS
电源
接地（0V）
18
VDD
电源
电源（+3V）
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
20
VSS
电源
接地（0V）
（4）、NRF24L01工作原理
当NRF24L01进行发射数据时，首先应该将它的配置设定成发射模式；然后把有效数据TX_PLD与接收的地址TX_ADDR由SPI口按照时序写入NRF24L01的缓存区域内。
TX_PLD必须在CSN为低电平时才能连续写入，而TX_ADDR在发射时只要写入一次就可以了。
然后CE要保持至少10μs的高电平，并延迟130μs后才能将数据发射出去；如果自动应答开启，那么NRF24L01在数据发射之后会立即进入到接收模式，接收应答信号（接收的节点地址TX_ADDR应该与自动应答接收地址保持一致）。
如果能够接收到应答，那么就认为此次通信是成功的，TX_DS置为高电平。
与此同时，TX_PLD将会从TXFIFO中清除；若没有接收到应答，那么就自动重新发射数据（开启自动重发）。
若重发的次数（ARC）已经达到了上限，则MAX_RT置为高电平，保留TXFIFO中的数据以便再次重发；MAX_RT或TX_DS置为高电平，使得IRQ变为低电平，从而产生中断，传达给MCU。
最后发射成功时,若CE为低电平，那么NRF24L01就会进入到空闲模式1;如果有数据在发送堆栈中并且CE为高电平，那么就进入到下一次发射;如果没有数据在发送堆栈中并且CE为高电平，那么就进入到空闲模式2。
NRF24L01无线模块电路图如图4.2所示：
图4.2NRF24L01无线模块
当NRF23L01进行接收数据时,首先应该将NRF24L01配置设定成接收模式，然后延迟130μs进入到接收状态等待数据的到来。
当有效的地址和CRC被接收方检测到时，则将存储在RXFIFO中，同时将中断标志位RX_DR设置成高电平，IRQ变为低电平，从而产生中断，传达给MCU去取数据。
如果此时自动应答开启，那么接收方就同时进入发射状态回传应答信号。
最终接收成功时，如果CE变为低电平，那么NRF24L01就进入到空闲模式1。
NRF24L01具有无线发射和接收的功能，下面将统一介绍它的工作模式以及配置字。
（1）、工作模式
降低电流损耗是
当FIFO寄存器为空并且CE为高电平时，那么就会进入到
电流
在
（2）、配置字
总共有8个指令是
NRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问，一共有25个
4.3DHT11温湿度传感器模块设计
（1）、DHT11基本概述
DHT11温湿度传感器为了确保其产品具有非常高的可靠性与卓越的长期稳定性，它采用的是专用温湿度传感技术以及数字模块采集技术，并且它是一个含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
传感器是与一个高性能八位单片机相连接的，它包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。
所以这种产品的优点是具有超快的响应、卓越的品质、强大的抗干扰能力、极高的性价比等。
每个DHT11传感器都是在非常精确的湿度校验室里进行校准的。
校准系数将会以程序的形式储存在OTP内存中，在检测信号的处理过程中传感器的内部将会调用这些校准系数。
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