農業生產遠程溫溼度監控系統的研究設計論文

0 引言

傳統的農業生產環境一般都是分散且面積比較大的，如傳統種植對環境的溫溼度要求僅僅源於自然界四季溫溼度變化。這種傳統的種植方式侷限於時令蔬菜，而對於反季節蔬菜的種植，就需要能控制溫溼度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫溼度要求非常精確的種苗培育室。傳統的溫溼度控制採用人工控制方式，耗費大量精力和時間，控制的精度反而很低，實時性非常差。比如，在加熱機構出現故障短時間內溫溼度發生劇烈變化時，人工無法及時做出反應，可能會造成嚴重的後果。爲此，設計了一種採用多點溫溼度採集、使用無線數傳模塊對溫溼度進行實時監控及通過GPRS 模塊將數據發送到遠程客戶端便於統計和集中控制的系統。由於採用無線數傳模塊，可以隨時擴展溫溼度採集節點，僅需要通過更改軟件控制數量即可，並通過軟件程序對環境溫溼度進行實時控制，實現了無人值守及遠程監控。

1 系統的硬件設計

本系統主要通過對各個節點溫溼度進行監測，然後通過無線數傳方式將數據傳到主控制模塊，主控制模塊再通過GPRS 模塊將數據發送到遠程客戶端中。控制過程可以通過主控制模塊直接控制執行機構工作（如加溼器、暖風機及鼓風機）等工作，也可以直接在遠程客戶端中更改控制策略。各個節點溫溼度監測模塊由AVR 單片機、NRF24L01 無線數傳模塊、溫溼度採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 無線數傳模塊、GPRS 模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構成。爲了節約成本和維護方便，主控制模塊和節點溫溼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

本設計採用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 協議）協議。由於採用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。由於採用先進的RISC 架構，在16MHz 的工作速度下性能高達16MIPS，支持在系統編程ISP，無需專用高壓編程器，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 溫溼度採集模塊

爲了達到一定精度和可靠性，本系統採用獨有的工業化CMOSens 技術的SHT1x 家族中的SHT11 作爲溫溼度採集的傳感器。SHT11 屬於Sensirion 溫溼度傳感器家族中的`貼片封裝系列，採用專利的CMOSens技術，將傳感元件和信號處理電路集成在一個微型PCB 上，通過14 位A/D 轉換器將模擬量轉換爲數字量（傳感器默認測量分辨率爲溫度14 位，溼度12 位，溼度8 位，處理速度提升更加明顯），可同單片機通信採用標準的I2 C 協議進行通信，其溫度測量範圍是— 40 ～ + 123。 8℃，默認分辨率是0。 01℃；溼度測量範圍是0 ～ 100%RH（相對溼度），默認分辨率是0。 03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補償，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點。SHT11 採集的溫溼度數據通過I2 C 協議和AVR的TWI 接口通信（見圖3），將數據保存在AVR 單片機的EEPROM 裏，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後通過無線數傳模塊向主控制模塊發送該節點的溫溼度情況。

1。 3 無線數傳模塊

無線通信解決方案有很多種，大型複雜系統可以使用ZigBee 技術來實現無線通信，但是結構複雜，路由設置繁瑣，維護不方便；小型系統可以使用無線數傳模塊實現電子設備間的通信，軟件設置簡單，調試方便。本設計中採用NRF24L01 無線數傳模塊實現無線通信。

NRF24L01 的工作頻段是在2。 4GHz 的ISM 頻段工作的，此頻段是開放的，無需申請許可證即可使用。通過改變天線形式，發射和接收距離可以達到1km 甚至更遠，保證了分散式的農業生產正常工作，改善了傳統佈線的高成本的問題。由於NRF24L01 採用跳頻技術，抗干擾性能良好，特別是它具有6 個數據交互式通道，如果只接收不應答，那麼這個通道可以擴展到126 個之多，滿足本設計中提出的多點通信和擴展的要求，即增加節點模塊只需更改軟件。

NRF24L01 和AVR 單片機通信採用SPI通訊協議，最高速率可達8Mbps。由於ATmega8A 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 模塊與遠程客戶端通信，主要放置在主控制模塊的環境中覆蓋網絡信號，則GPRS 模塊即可正常收發數據，實現遠程監控。本設計中使用的GPRS 模塊採用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發平臺有多種，官方也提供一套免費的AVR Studio 集成開發平臺，支持在線硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基於C 語言的開發平臺，本設計中採用CodeVisionAVR 作爲系統軟件設計的開發平臺。

CodeVision AVR 編譯器可以使用C 編譯器，同時集成IDE 的AVR 開發平臺，軟件本身在基礎頭文件已經設置好I /O 口位操作指令，類似於51 單片機的sbit 命令，實際使用中非常直觀和方便。

在CodeVision AVR 中，提供了非常豐富的庫函數，從基礎的實現隨機數的庫函數到實際應用的SPI接口函數等，代碼精煉效率高，大大減小了系統開發週期，爲產品早日上市節省了開發成本。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 串口函數等實現對各個模塊之間的數據輸入輸出控制。另外，被控對象爲遲滯性較大的溫度和溼度，所以要求控制函數中加入PID 控制環節對電動機進行控制，調節好各個參數之間關係，使其實時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 串行接口主要是溫溼度傳感器SHT11 數據通信使用的。TWI 是一個帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峯抑制單元，可以消除小於50ns 的毛刺，可靠性、實時性和執行效率都非常高。由於AVR 單片機TWI 兼容I2C 總線，故本設計中直接對TWI 進行操作。程序如下：#asm。 equ _w1_port = 0x15。 que _w1_bit = 2#endasm/* 單總線連接到ATmega8 的PORTC 口，利用PORTC4、PORTC5 口，並且包含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 無線數傳模塊的軟件設計NRF24L01 無線數傳模塊和AVR 單片機連接採用SPI 接口，對其進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 寫命令函數、SPI 讀命令函數、SPI 寫入數據函數、FIFO 函數、RX 模式選擇函數和TX 模式選擇函數等。

3 應用實例

本文設計的農業生產遠程溫溼度監控系統主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作爲試點使用，選擇150m2的蔬菜大棚設置監控系統作爲實驗對象，每25m2 設置1 個溫溼度監測節點模塊，共設置6 個。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端。實地的測試使用中，調節好相應的PID 控制參數，設置適合蔬菜培育環境溼度和溫度，設置溫度23℃，空氣相對溼度92%；將各個節點模塊放置在距地面高度爲2m 左右爲宜，經過系統的實時監控，能夠滿足溫度測試誤差± 0。 5℃、相對溼度測試誤差± 3%的要求。同時，遠程客戶端設置修改溫溼度值後，現場系統能夠迅速響應並且無震盪，可使溫溼度平緩快速地達到設置值。其對於外界的溫溼度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進行人工噴水後，系統監測到環境溼度上升，通過控制策略控制蔬菜大棚整體的溼度平緩而快速地下降到設置值，保證不產生震盪。本設計中系統工作在低功耗模式，靜態電流低於7mA，動態發送數據時電流不高於30mA，可以通過市電電源經開關電源變換後進行供電，也可以採用太陽能蓄電池進行供電。如果選擇12V6Ah 蓄電池供電，可以連續工作700h 以上。

實踐證明：該系統工作穩定可靠、功耗低、維護方便、支持在線調試和無線節點擴展，實際測試中無線誤碼率和丟包率很低，節點模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實用價值和推廣價值。

4 結語

本文主要介紹了一種採用無線數傳模塊和GPRS模塊構成的遠程溫溼度監控系統用於農業生產的方案，並從產品成本控制、可靠性、實時性、實用性等幾個方面對系統進行設計和優化，提出了使用AVR 單片機作爲控制核心、SHT11 作爲溫溼度傳感器、nRF24L01 無線數傳模塊作爲無線通信、SIM300 模塊作爲GPRS 模塊與遠程客戶端通信的監控系統。經過實際的應用和測試，該系統工作可靠，便於維護和升級，適應現代化農業生產，具有很好的發展前景。