智能温室监测系统中多参数无线监测系统的设计.docx

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智能温室监测系统中多参数无线监测系统的设计

智能温室监测系统中多参数无线监测系统的设计

摘要：

介绍了一个以单片机（AT89C51）为核心基于nRF905的具有无线通信功能的智能温室监测系统中多参数监测系统设计。

同时，给出了系统的参数测量电路，对系统的多机通信和低功耗进行了详细设计。

该系统数据传输速度可达lOOkbps，可靠性高，功能易扩展，适用于多种领域。

关键词：

智能温室监测系统；多机通信；低功耗

0引言

智能温室监测系统是实现其生产自动化、高效化最关键、最重要的环节。

就蔬菜的生长环境而言，温度、湿度、光照、CO。

和土壤pH值等是其最基本的因子。

温度不仅要根据蔬菜的不同生长阶段而定，而且与光照强度有很大关系。

湿度也是温室中一个重要的参数…。

因此，作为监控系统应能够实现对以上参数的数据采集与分析处理，以便进行相应的控制，使智能温室为蔬菜的生长提供一个良好的环境。

有线连接方式采集温度、湿度、光照等信号及传输数据，这虽然满足了监测要求，但是存在线路多、布线复杂、维护困难等问题心1。

为了解决这些问题，本文研制了一种多参数无线传输监测系统。

该系统采用了无线收发芯片nRF905，其发射功率为10dBm，使用环形PCB天线，室内传输距离可达iOOm，室外传输距离可达200m。

随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。

国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。

XX托普仪器XX和XX大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。

目前此物联系统已在全国多家科技园、示X园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。

为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术支持。

物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。

农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。

托普农业物联网核心产品均属于自有品牌，自主研发生产。

托普农业物联网系统主要包括三个层次：

感知层：

采用各种传感器（如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土壤温湿度等）获取植物的各类信息。

传输层：

信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。

应用层：

根据WSN获取植物实时生长环境。

图温湿度、光照参数等，收集各个节点的数据，进行存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常信息进行自动报警。

加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进行实时监控。

1多参数无线监测系统的结构

系统由中央控制器Pc与各个采集单元组成。

每个采集单元包括温度检测器、湿度检测器、光度检测器及单片机和nRF905模块等，每个数据采集单元可实现温度、湿度、光度等多参数的采集并通过单片机AT89C51和无线模块nRF905把数据传输到PC机上进行显示，从而实现多参数的监测。

同时，通过点对多点的方式可实现不同采集单元与Pc机间的通信，从而实现多点位置的多参数的监测。

其系统框图如图1所示。

本系统可实现远距离监测，且抗干扰性能强。

2多参数数据采集电路设计

2．1湿度采集电路

湿度传感器采用DALLAS半导体公司推出的单总线数字测温Ic芯片DSl8820。

DSl8820芯片的管脚简单，它无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量，与单片机交换信息仅需要一根I／O口线，如图2所示。

每个DSl8820在出厂时都有一个唯一的64位的光刻序列号，可支持多节点测温，使设计大为简化；测温时无须任何外部元件，测温X围是一55～+125℃，测温精度为0．5度；内部自带A／D转换器，通过内部的温度采集、A／D转换一系列过程，最后将温度以规定的格式转换为16位数据并输出，并将数据还原为温度值。

2．2湿度采集电路

湿度传感器采用HSll01电容式传感器。

HSll01电容式传感器将电容的变化量准确地转换为单片机易于接受的信号，可以将该湿敏电容置于振荡电路中，组成多谐振荡电路，将电容值的变化转为与其呈反比的电压频率信号，可以直接被单片机计数器所采集。

这样电路就可以方便地与单片机相连接，输出信号为频率型，灵敏度高、线性度好，具有优良的重复性、分辨率和稳定性。

为了提高系统的灵敏度和线性度，从降低采集电路的成本等因素进行考虑，采用脉冲振荡电路来设计湿度采集电路，如图3所示。

此电路为典型的555非稳态电路。

集成定时器555芯片外接电阻尺2，尺4与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。

7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。

2．3光照采集电路

电路选用的硅光敏二极管型号为3DUOSOC，光谱X围为450—1150nm，用于可见光、红外光检测。

光度采集电路，如图4所示。

由于硅光敏二极管输出的是极其微弱的光电流，大约是2斗A，因此需要一个放大电路，这是一个运算放大器构成的电流一电压转换电路。

硅光敏二极管输出电流信号经放大电路转换为电压信号输出，放大器输入电阻相对光敏二极管可以视为短路，则放大器的输出电压为v0：

一fiR，，这种方式可以获得线性良好的电流一电压变换。

3系统关键技术的实现

3．1PC机与分控机的多机通信问题

多机通信，由多址来实现，每个nRF905都可以通过单片机来赋予不同的地址，地址的位数和内容都由用户自定义，因此编程灵活，理论上可以支持无限多个地址。

Pc机的串口发出的数据可设为与8051串行数据格式相匹配的11位格式，11位数据帧由l位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1位停止位组成，其格式为：

nRF905模块可以由用户自定义地址，因此可以很方便地实现多机通信。

在配置nRF905时使地址为一个变量，这样就可以任意地修改每个发射机的地址，而接收机通过不同的地址与发射机相匹配，来实现对各个发射机数据的接收。

本系统因为要实时监测温度，各个发射机的地址已固定，接收机通过不同的地址来接收不同的发射机数据。

因此，多机通信的控制由用户通过接收机的按钮来完成。

多机通信部分的关键程序如下：

3．2低功耗问题

在无线通信领域，低功耗始终是一个关键性的问题，本设计利用单片机自身的电源控制寄存器PCON来实现低功耗运行。

电源控制寄存器的格式为

若写一个字节到PCON，使IDL等于I，单片机即进入待机方式。

在待机方式下，振荡器继续运行，时钟信号继续提供给中断逻辑、串口和定时器；但是提供给CPU的内部时钟信号被切断，CPU停止工作。

这时，堆栈指针SP，程序计数器PC，程序状态字PSW，累加器AAC以及所有的工作寄存器内容都被保存下来。

·

通常CPU耗电量占芯片耗电量的80％～90％，所以CPU停止工作就会大大降低功耗。

在待机方式下，AT89C205i消耗的电流可由正常的30mA降为3mA，甚至更低。

通过中断实现低功耗的程序如下：

当T0计数到最大值216时产生溢出中断，单片机即由待机模式进入到正常工作模式，所有的主程序都放到中断中来处理。

单片机的大部分时间是处于待机状态的，而且单片机在待机的同时，nRF905模块也处于待机状态，电流只有12uA左右。

因此，此系统发射机部分的功耗非常低，经测定在没有采取节电措施前的电流为35mA，在加人低功耗程序后，总电流只有4．6mA。

采取低功耗措施前后的效果经多次测定，如表1所示

4结论

本文介绍了一个基于nRF905的以单片机（AT89C51）为核心的具有无线通信功能的智能温室监测系统多参数测控系统设计，完成了温室中的温度、湿度及光度等参数的测量显示和控制信号输出，实现了温室的本地或远程控制。

在低功耗方面，本设计通过控制单片机的空闲模式来实现低功耗运行方式，在运行主程序时通过T0计数器中断唤醒单片机，从而最大限度的节约了电能，延长了电池的使用时间。