基于物联网室内环境监控系统设计.docx
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基于物联网室内环境监控系统设计
题目基于物联网室内情况监控系统设计
引言
温室是设施农业的重要组成部分,温室大棚测控系统是实现温室生产治理自动化、科学化的根本包管。
通过对监测数据的阐发,结相助物生长规律,控制情况条件,使作物在不适宜生长的反季候中,可得到比室外生长更优的情况条件,从而使作物到达优质、高产、高效的栽培目的。
本系统主要针对温室内温度、湿度，光照强度,以及二氧化碳浓度,设计了以单片机为核心的温室大棚测控系统的软硬件系统。
综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求这三个方面之后,最终确定下位机以STC89C516单片机为控制核心,选用性价比比力高的传感器,实现对温湿度、二氧化碳浓度的丈量与控制。
针对差别的参数,治理可以通过键盘人为设定作物所期望的上、下限值。
当单片机检测到温湿度、二氧化碳浓度有任何一个参数越限时单片机通过控制固态继电器打开相应的执行机构进行赔偿。
为了便于系统的调试、移植、修改,软件设计以C语言为底子,采取模块化设计,主要包罗数据收罗模块、键盘显示模块以及数据存储和转换处理惩罚等模块。
在系统设计历程中，我们参考国内外温室测控系统的设计，它们主要是采取高精度的传感器丈量温室情况参数，通过盘算机进行远程控制，其主要问题在于代价较昂贵，一般的农民对付其代价是难以担当的，所以我们在设计系统时充实考虑到性价比,选用代价低、性能稳定的元器件，设计出代价低廉且实用的温室大棚情况测控系统。
通过运行调试,试验结果与设计期望一致。
该测控系统具有使用简单、本钱较低和事情稳定可靠等特点,不但可以应用在农业大棚,也可以应用在恒温湿的机器加工场、室内情况监测等方面,所以具有一定的推广代价。
方案设计
一．方案选择
方案一：
采取数码管实时显示各情况参量方法
整个系统通过核心单片机实时读取温度湿度传感器、CO2传感器、光敏电阻的丈量参数值，并实时显示在LED数码管上，显示当前温室情况的各个参数情况，供温室治理人员作参考，以决定是否采取相应的赔偿步伐。
该系统通过4*4矩阵键盘设定相关情况参量的上下限值，当丈量参数凌驾所设定的上下限的值时，蜂鸣器响，发出警报，提示治理人员进行赔偿。
硬件框图：
软件流程图：
方案二：
采取1602液晶显示方法
该方案采取1602液晶显示的方法显示情况参量值，同时定时丈量的数据用外接ROM存储下来，大棚治理人员能通过键盘按键设置情况参量的上下限，设置温室大棚情况赔偿模式（自动赔偿，定时赔偿，手动赔偿），也可控制单片机读取外接ROM中存储的各个参量在某一时间内的数据，并显示在1602液晶上，便于治理人员统计该段时间各个情况参量的变革情况，绘制相应的曲线。
硬件框图：
软件流程图：
方案三：
采取无线模块传输数据，PC机吸收数据显示动态曲线
该方案突出特点是采取了无线方法传输所测参量值给PC机，PC机吸收数据后，凭据数据间对应干系，绘制出各个丈量参量随时间变革的曲线图，便于大棚治理人员视察该段时间内各个参量的变革情况，总结经验，且凭据曲线规律来设置参量的赔偿方法，如定时赔偿，以实现温室大棚的情况始终处于最优的情况条件，使作物到达高产、高效的目的。
硬件框图：
流程框图：
方案四：
采取12864液晶显示，查察参量随时间变革曲线图
本方案中采取了在12864液晶屏实时显示各个参量值，同时通过按键和现实模块设置相关参量的范畴，赔偿模式，读取记录，查察参量随时间的曲线图。
而在按键历程中液晶为菜单显示模式，界面友好直观，交互性好，还可通过按键设置查察24C16中的记录的数据，来绘制某一参量随时间变革的曲线图。
流程框图：
二．方案确定
综合前面四种方案，方案一采取数码管实时显示情况参量值，较直观，能远距离视察各个参量值，能进行自动赔偿，廉价，但该方案对所测数据不具备生存成果，不能查察以前的参量值的数据记录，且赔偿模式单一。
方案二则具备液晶显示参量值，生存数据和赔偿模式设置成果，该方案通过1602液晶查察以往的参量数据，但参看方法只能是文字方法，不直观，同时不具备查察各个参量随时间变革曲线图的成果。
方案三中单片机丈量情况参量值，进行自动赔偿，通过无线方法将数据传输给PC机，通过电脑绘制曲线图查察量某段时间的变革情况。
该方案不敷之处在于代价高，且无线方法传输的数据易出现错误，不能在大棚实地查察相关情况参量值。
方案四则综合了方案二、三的优点并作了一些改造，在大棚处用12864液晶显示情况参量值，单片机通过记录时钟芯片提供的时间值，可在12864液晶上画出一定时间内的情况参量随时间的变革干系曲线图，同时还能设置赔偿模式，如定时赔偿，自动赔偿等，方便了大棚治理人员对大棚情况的治理。
故我们选择方案四。
三．理论阐发与方案论证
理论阐发：
温室情况庞大多样影响的条件因素多，但是影响生产的主要因素是：
温度、湿度、CO2浓度以及光照强度，其他的条件对温室作物的生长影响极小。
因此，只要控制好这几个主要的情况条件就能有效提高温室的生产效率。
控制的前提是有效的监测，因此,设计的主体是传感器，本系统采取“温湿传感器、CO2传感器、光强传感器”3个传感器模块能够有效丈量“温度、湿度、CO2浓度以及光照强度”这几个主要情况参数。
采取单片机作为核心处理惩罚器完全可以实现收罗术、处理惩罚数据并做出调解。
综合考虑，本系统完全具有可行性。
方案论证：
温湿生产现在越来越来普遍，但是对付温湿情况的控制根本上处于凭经验判断的状态，对付温室内情况的主要参数：
“温度、湿度、CO2浓度和光强”，除了温度外都没有一个具体的科学的定量阐发。
这大大低落了温室的生产效率，并且浪费人力。
而市面上出现的一些专业的丈量装置大概智能温室治理设计，不但代价昂贵，并且操纵庞大，无法推广。
因此，非常有须要设计一款经济适用、操纵简单且有效的测控设备。
总体设计
一、硬件实现：
本系统基于STC89C516单片机，收罗4路信息并做出处理惩罚，整个系统具有一定的智能化。
首先，收罗数据：
本系统收罗“温度，湿度，CO2浓度，光照强度”4路信息；综合考虑采取3个传感器：
温湿传感器、CO2传感器、光强传感器。
其次，良好的人机交互平台，这部分成果由“12864+键盘”实现；12864界面采取“汉字+图形”的菜单模式，键盘采取四个独立按钮，由中断模式读取按键，多层读取按键操纵菜单。
再次，实现数据清晰明了、一目了然，采取“字符+波形”的显示模式；温室情况瞬时变革极小，需要采取一定长的时间里连续视察数据，同时需要实现菜单设置掉电生存，系统使用一片E2PROM芯片记录菜单设置模式和丈量数据；再次，为了使历史记录具有可读性，丈量数据与丈量时刻必须一一对应，系统采取一片DS1302时钟芯片，记录时间。
最后，数据处理惩罚及实现自动调解成果：
自动调解系统设置继电器，控制自动调解装置；数据处理惩罚参考下面的软件支持。
系统总的硬件框图：
要害技能及创新点：
1、为节省单片机的引脚资源，我们采取了DHT21基于单总线方法的温湿度传感器，该传感器将实时温度、湿度数据经过一条数据线传输给单片机。
2、为可查察参量数据随时间的变革情况，我们采取了DS1302实时时钟芯片来产生时间数据，同时将所测实时参量数据生存在24C16中，单片机通过读取时间24C16中的相关数据，在12864液晶上以时间数据为横轴，参量数据为纵轴，绘制出相应曲线。
3、12864液晶的操纵界面，采取“文字+图形”的方法，采取菜单模式界面，界面友好直观，十分适适用户操纵。
二、软件支持：
首先，实现菜单成果：
采取编码模式，每个单位对应一个编码，由按键改变编码实现菜单操纵。
其次，数据收罗及处理惩罚：
主步伐调用模块函数收罗信号并通过转换函数将信号电压转换成实际的参数，进而进行相应的调解处理惩罚。
单位电路设计
一、温湿度传感器模块
选用DHT21数字温湿度传感器。
DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
传感器包罗一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
传感器具有品质卓越、超快响应、抗滋扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以步伐的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理惩罚历程中要调用这些校准系数。
丈量精度到达：
温度±0.5℃，湿度±0.5％RH。
单线制串行接口，使系统集成变得浅易快捷，超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为种种应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
由于DHT21数字温湿度传感器采取单总线输出，方便连线，但软件比力麻烦。
串行数据读取由高电平的连续时间区分串行的“0”、“1”位，因此在步伐中需要测试高电平的连续时间，需严格的时间延时。
二、光敏电阻模块
温室情况对光强灵敏度要求不高，
因此选择光敏二极管将光强信号，
转换成电信号，然后用ADC0832
收罗电信号。
光敏二极管的电阻
随光强变革，光强越强电阻值越
低。
因此，将光敏二极管与一定
值电阻串联就能得到随光强变革
的电信号。
本模块采取4个光敏
二极管（增加收罗面），收罗两路
信号，每两个光敏二极管并联采
集一路信号，取强信号为光强信号。
我们将所测光强数值自界说分为
1-10级，分别体现差别强度的光照。
模块电路图如右图10所示。
三、CO2传感器模块
1.二氧化碳传感器原理:
外电源（6±0.1V）加热元件，当其外貌温度到达足够高时,元件相当一个电池，在其信号脚两端输出电压（0.2-0.5V）信号（与能斯特方程切合较好）。
连线如图11。
2.丈量条件:
二氧化碳传感器对丈量条件要求较高,电源6±0.1V,信号收罗电流控制在1PA以下.因此,要求丈量阻抗到达200G-1000G.
3.收罗电路:
实际应用如下图所示.采取高输入阻抗的运放OP07（输入阻抗达200G以上）做前级电压追随器OP07的共模输入阻抗到达120G,因此两端各采取一个电压追随器,从而使丈量电阻到达200G的要求.电压追随器背面接一个差分放大器INA128U,将信号电压放大10倍,然后用ADC0832进行A/D转换收罗信号.
4.电路说明:
经过测试OP07与INA128U组成的前级电路完全能满足要求,放大后的信号电压误差在1%以内.ADC0832为8位双通道串行A/D转换芯片,可以收罗0-5V的信号,256级电压精度.直接丈量显然精度不敷,将信号放大10倍后,精度到达预期要求（面对温室情况丈量,其对付CO2精度精度要求不高,并且传感器响应灵敏度足够高（1/10000））.电路连线图如图12：
四、键盘模块
本系统用到了4个按键，而每一次按键都产生一其中断，故我们选取了74LS21芯片4输入与门，4个按键连接输入信号，输出连接外部中断1的引脚，则每次按键，与门输出就会产生一其中断信号，再结合键值，就能准确判断出按键。
硬件电路图如图：
五、继电器及赔偿模块
继电器：
继电器模块十分简单，原理就不多介绍了.本系统使用了两个继电器，在电路设计上直接使用三极管提供驱动（继电器多的话可以使用74HC573或达林管UN2003等驱动）。
在实际电路中要注意在继电器的电源端一定要反接一个二极管；同时；最幸亏靠近继电器的电源端接入1000uF以上的电容，以增强电路的稳定性。
赔偿模块：
采取电扇和照明灯模拟，电扇提供通风使CO2浓度和湿度规复正常值，照明灯提供光照和温度赔偿。
六、24C16外接ROM模块
24C16串行E2PROM总容量为2K字节，内部分成8个2K比特的地点区域，通过改变“a、b、c”三个寻址位寻址差别的地点区间。
每个区间内部的寻址由10位地点码寻址每一个地点，对其数据的写入写出操纵采取“地点+数据”的模式。
七、12864液晶模块
128*64点阵的汉字图形模块内置8192其中文汉字、128个字符及64*256点阵显示RAM，串并（8位并行）两种界面与微机连接。
本系统采取串行通信模式，即“数据线+时钟线”模式。
串行通信的优点有许多：
首先，淘汰线路连接，不但仅淘汰事情量，并且节约硬件本钱；其次，节约微机I/O口；最后，有利于硬件维护。
经测试在写入速度上影响不大，对本系统来说完全够用。
12864液晶模块显示曲线图形及实现反白的时候,要注意入写数据的算法.图形模式下Y轴是按位寻址,但X轴按双字节寻址,奇数字节没有独立的地点。
八、电源模块
220V电源输入，正负电源输出。
220V电源接5w变压器降压到15伏，通过由4个二极管组成的桥式整流器整流得到±18V,背面接78系列（7815、7915、7805）和LM317集成稳压芯片实现稳压输出。
具体电路图如下图14：
单位电路测试
本系统各单位模块在接入系统前都经过独立测试并通过，传感器模块无法提供真，对其都采取实物测试。
24C16、DS1302、12864液晶模块均仿真通过。
温湿模块测试数据：
表1
丈量次数
物理
量
08:
00
09:
40
12:
40
14:
30
15:
20
温度（℃）
17.4
19.6
20.7
21.3
25.3
湿度（%RH）
32.2
35.3
34.3
33.5
33.7
CO2模块丈量数据：
表2
CO2（ppm）
325
340
356
350
370
输出电压（V）
0.401
0.388
0.367
0.357
0.346
光强丈量：
表3
光强品级
1级
2级
3级
4级
5级
输出电压（V）
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
整体测试
在分别对传感器，键盘，继电器，12864液晶模块进行测试后，我们进行整体单位电路的测试。
1、显示实时情况参量数据，12864液晶上显示实时情况参量数值：
湿度：
40.3%RH
温度：
19.8℃
CO2浓度：
330ppm
光照强度：
5级
相应的时间：
17:
46:
30星期三
2、按键进行参数范畴设置，赔偿模式，设置丈量时间隔断，12864液晶采取菜单模式显示。
菜单模式结构如下表2：
（主界面）
欢迎使用
德州学院
17:
46:
30星期三
湿度：
40.3%RH
温度：
19.8℃
CO2浓度：
330ppm
光照强度：
40ppm
功
能
设
置
参
数
设
置
丈量隔断（10分钟—60分钟）
时间设置
温度设置
湿度设置
CO2浓度设置
光强范畴
模
式
设
置
自动赔偿
手动赔偿
定时赔偿
记
录
处
理
上次记录
作
图
湿度作图
温度作图
CO2浓度作图
光强作图
复位
将系统规复到初始状态
表4
3、在菜单中选择作图，则单片机读取外接ROM的24C16中的数据，以参量值为纵坐标，时间为横坐标，得到相应的横纵坐标值，通过键盘选择，可在液晶屏上绘制相关参量随时间变革的曲线。
4、设置历程中，若凌驾1分钟没有按键，液晶屏封闭配景灯，淘汰耗电。
5、当情况的光强较低或温度较低时，单片机控制照明灯亮，进行赔偿;当湿度值凌驾下限或CO2浓度超出范畴时，单片机通过继电器控制电扇事情，进行赔偿。
结论
基于单片机的温室测控系统对各项指标的实现情况较好，系统设在种植植物的大棚内，数据收罗模块中的温湿度传感器，CO2传感器，光敏电阻，可以将情况中的温湿度等非电量的信号参数转化为电量信号，再将这些信号进行处理惩罚后送至单片机，并在24C16中生存，单片机读取数据后，将数据送到缓冲区，通过12864液晶实时显示，但由于人们对光照强度的看法较模糊，我们对光强设置了十个品级，较直观地体现光强。
用户可以通过键盘及液晶显示模块输入温度、湿度、CO2浓度的上下限值和预置值，可在菜单中的记录处理惩罚项查察上次记录，绘制相关参量曲线。
可预置赔偿模式，定时赔偿，自动赔偿，手动赔偿。
在自动赔偿模式下，单片机将所测实时数据与原先内部设定的参数值进行比力处理惩罚；单片机凭据比力结果对执行设备发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如照明灯，电扇等进行操纵，调治大棚内的温湿度，CO2，和光照状态，直到它们的状态处于上下限值以内为止。
在系统设计历程中，本系统紧密结合温室大棚的实际情况，综合目前市面上相关产物的特点，我们采取了直观友好的操纵界面，操纵简单，数据显现可以通过文字方法，还可绘制相应曲线，使用户方便查察，查询和设置。
本系统具有结构简单，本钱低，高效率，运行可靠性好等优点，具有很好的应用前景。
本系统实现了我们预期的所有目标，但由于时间紧，我们对一些目标进行了简化。
如果时间富裕，我们可以改造本系统的一个不敷之处：
不能生存较长一段时间的各个参量实测数据。
我们的改造设想是将参量值数据通过单片机的串口传输给PC机，由PC机生存各个参量长期的数据。
如在24C16中的数据存满时，则单片机将24C16中的数据全部传输给PC机，PC机收到数据后，生存在特定的文档里，同时经过相应的软件处理惩罚可在PC机上绘制各个参量该段时间的变革曲线。
参考文献：
【1】新编MCS-51单片机应用设计/张毅刚编著.哈尔滨：
哈尔滨产业大学出书社，2008.3，180-192页。
【2】电子工程师制图与制版技能—Protel99SE应用.北京：
科学出书社，2004，8-100页。
【3】谭浩强.《C步伐设计》.北京:
清华大学出书社,2005（2007年重印）,第三版,156-166页,204-214页。
【4】《无线电》杂志10年第一期（53-61页）、第二期（52-57页）数字示波器DIY——魏坤。
【5】单片机应用系统开发实例详解.北京：
机器产业出书社，2007.10，15-38页。
附录
附录一：
整体电路图
附录二：
步伐清单
#include//"头文件"
#include<12864.h>
#include
#include
#include<0832.h>
#include
#include
sfrAUXR=0x8e;
sfrAUXR1=0xa2;//"key记录键值；k自动控制标记；i、b用于显示"
unsignedcharkey=0,k=0,i=0,b=0,m=0,j=0,l=0,g=10,s=0;//"m、l、j、g用于计时"
unsignedcharxdatashow[8];//"用于显示转换"
unsignedcharxdatawet[6];//"湿度[0:
1]、温度[2:
3]、CO2[4]、光强[5]"
unsignedcharxdatamax[6]={0};
unsignedcharxdatamin[6]={0};
unsignedcharxdatat0ime[8]={1,2,3,5,6,7,8,9};/*----*///"比力参量0,时间[0:
1]、湿度[2:
3]、温度[4:
5]、CO2[6]、光强[7]"
unsignedcharxdatat1ime[8]={1,2,3,5,6,7,8,9};/*----*///"比力参量1,时间[0:
1]、湿度[2:
3]、温度[4:
5]、CO2[6]、光强[7]"
unsignedcharaddress=0x10;//"RAM地点"
sbitkey1=P1^7;//"按键1"
sbitkey2=P0^1;//"2"
sbitkey3=P0^2;//"3"
sbitkey4=P0^0;//"4"
sbitled=P0^3;//"12864背灯"
sbitco2=P3^7;//"CO2加热"
sbitmo=P2^0;//"电机"
sbitli=P2^1;//"加热灯"
voidmenu（）;
voidwelcome（）//"欢迎界面"
{chn_disp（0x92,4,"欢迎使用"）;
chn_disp（0x98,8,"德州学院"）;
}
voidreadall（）//"读取时间、湿、温、CO2、光强"
{Read_RTC（）;
RH（wet）;
wet[4]=Adc0832
（1）;
wet[5]=Adc0832
（1）;
}
voidchange（unsignedcharn）//"数据格式转换"
{unsignedchark;
unsignedintg;
switch（n）
{case0:
for（k=0;k<3;k++）
{show[6-3*k]=set_rtc_code[k]/16+'0';
show[7-3*k]=set_rtc_code[k]%16+'0';
}
show[5]=show[2]=':
';
break;
case1:
show[0]=set_rtc_code[6]/16+'0';
show[1]=set_rtc_code[6]%16+'0';
show[4]=set_rtc_code[4]/16+'0';
show[5]=set_rtc_code[4]%16+'0';
show[6]=set_rtc_code[3]/16+'0';
show[7]=set_rtc_code[3]%16+'0';
break;
case2:
show[0]=t0ime[1]/16+'0';
show[1]=t0ime[1]%16+'0';
show[3]=show[2]='-';
show[4]=t0ime[0]/16+'0';
show[5]=t0ime[0]%16+'0';
break;
case3:
show[0]=t1ime[1]/16+'0';
show[1]=t1ime[1]%16+'0';
show[3]=show[2]='-';
show[4]=t1ime[0]/16+'0';
show[5]=t1ime[0]%16+'0';
break;
case4:
g=wet[0]*0x100+wet[1];
show[0]=g/100+'0';
show[1]=（g/10）%10+'0';
show[2]='.';
show[3]=g%10+'0';
show[4]='%';
break;
case5:
g=wet[2]*0x100+wet[3];
show[0]=g/100+'0';
show[1]=（g/10）%10+'0';
show[2]='.';
show[3]=g%10+'0';
break;
case6:
g=CO2_deal（wet[4]）;
show[0]=g/1000+'0';
show[1]=（g/100）%10+'0';
show[2]=（g/10）%10+'0';
show[3]=g%10+'0';
show[4]='p';
sho
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