温室大棚智能无线监控系统

朱鹏　龚宗辉　李盼盼　桂姝　陈庭宇

【摘 要】温度和湿度是保证农作物优质生产中两个重要因素，因此监测和控制温湿度对于温室大棚农作物来说至关重要。相较于以往的测温测湿系统都是通过有线方式传送数据，线路复杂布局困难、电线易老化等问题影响了其可靠性。而温度、湿度传感器这样的设备并不需要很大的功率和传输速率。所以ZigBee技术以其低功耗、支持大量节点、数据无线传输且安全可靠的特点正好弥补了传统测温湿度系统的缺陷。并且由于传统的温湿度监测是通过仪器到温室大棚内检测、记录，然后再人工启动相关的设备来调节温湿度。当温度或湿度超过极限值时，传统的控制方式在调控和监测之间有一个时间差，如果正好在这个时间差内由于人工的疏忽而没有及时的启动相应设备来调控温湿度就很可能造成不可逆转的后果。本文主要研究实时监测和控制大棚内的温湿度以保证大棚内的温湿度随时处于正常水平。

【关键词】温室大棚；温湿度；单片机；ZigBee

0.引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对新鲜、反季节瓜果蔬菜的需求不断增加。加之中国又是一个耕地稀缺的人口大国，所以发展现代化集约型农业是解决这一难题的不二之选。温室大棚以其独特的生产方式得到了广泛的推广和应用，由于我国温室大棚发展较晚，目前国内大棚自动化水平低，大棚温湿度监测可靠性低，所以现代化温室大棚温湿度智能监控系统的设计越来越引起重视。为解决以上问题，本文针对大棚布局及作物生长的特点设计一套温湿度无线监测及实时控制系统，该系统能实现多点温湿度的实时采集、无线传输及显示，通过数据的分析，并结合大棚内实际农作物的生长特点来控制温湿度，使作物达到优质生长、高效高产的目的。整个系统操作简便、组网灵活且容易扩展，具有较高的应用推广价值。

1.系统的硬件设计

1.1系统硬件电路构成

本系统以单片机为控制核心，组成一个集温湿度采集、传输、分析、显示及自动调控于一身的闭环控制系统。系统硬件电路由温湿度传感器、ZigBee节点模块、单片机、固态继电器、负压风机和湿帘组成。

1.2温湿度采集模块

1.2.1 DHT11温湿度传感器介绍

DHT11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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，超小的体积、极低的功耗，使其成为温湿度采集应用场合的最佳选择。

1.2.2 DHT11的技术参数

供电电压：3.3～5.5VDC

测量范围：湿度20-90%RH，温度0～50℃

测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2℃

分辨率：湿度1%RH，温度1℃

1.3数据传输模块

1.3.1 ZigBee技术简介

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是组网简单、低功耗、高数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域。

1.3.2 ZigBee星形网络的建立

由于ZigBee组网简单、数据传输高效，本系统采用最简单的星形网络拓扑机构组网。本系统使用带有zigbee协议的无线模块，通过串口连接的方式来构建zigbee温湿度监测系统。该系统主要由一台温湿度数据集中器（zigbee协調器）和安装在各处的温湿度监测节点（zigbee设备）组成的星形结构网络构成。

1.4单片机模块

1.4.1单片机概述

单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机。单片机以其体积小、质量轻、价格便宜、功能齐全的特点在各领域得到广泛的应用。

1.4.2 8051芯片的引脚分布

芯片引脚分布：

（1）电源引脚（2个）

（2）外接晶体引脚（2个）

（3）控制引脚（4个）

（4）并行输入/输出引脚（32个，分成4个8位口）

1.4.3 8051芯片的复位

8051单片机的复位方法有两种：

（1）手动复位：按钮按下，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。

（2）上电复位：上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容给单片机复位脚施加高电平5V，同时，通过10KΩ电阻向电容器反向充电，使复位脚电压逐渐降低。经一定时间后复位脚变为0V，单片机开始工作。

1.5温湿度调节控制模块

本系统设计为单片机接收到ZigBee节点模块传输回来的温湿度信息时，分析数据并判断是否超出界限值，继而由单片机发出高低电平控制信号来控制相关设备的启停。由于单片机发出的电平信号是一个弱电信号，所以就需要加入继电器来放大信号以达到弱电控制强电的目的。

1.5.1固态继电器概述

固态继电器是具有隔离功能的无触点电子开关，在开关过程中无机械接触部件，固态继电器除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有逻辑电路兼容，耐振耐机械冲击，安装位置无限制，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好，噪声低和工作频率高等特点。

1.5.2 AC-SSR固态继电器的关键技术参数

输入电压范围：在环境温度25℃下，固态继电器能够工作的输入电压范围。

输入电流：在输入电压范围内某一特定电压对应的输入电流值。

接通电压：在输入端加该电压或大于该电压值时，输出端确保导通。

关断电压：在输入端加该电压或小于该电压值时，输出端确保关断。

额定输出电流：环境25℃时的最大稳态工作电流。

额定输出电压：能够承受的最大负载工作电压。

2.系统的软件设计

系统主程序首先对系统进行初始化，包括定义端口、8051初始化、ZigBee模块初始化，然后进入主循环，在主循环中不断调用各种子程序，从而完成温湿度的监测和调控。主程序流程图如图2-1

图2-1 主程序流程图

3.结束语

本文针对当前温室大棚温湿度监测与控制的弊端，利用ZigBee节点模块、单片机、固态继电器等设计了一套温室大棚智能无线温湿度监控系统。该系统具有功耗低、传输数据高效快捷、组网简单的特点，正好填补了当前温室大棚测温测湿系统的不足。并且该系统能够随温室大棚的温湿度变化而智能调控温湿度，所以该（下转第183页）（上接第111页）系统在发展现代化集约型农业有着较高的应用价值。 [科]

【参考文献】

[1]雷伏容.崔浩.51单片机常用模块设计查询手册[M].清华大学出版社，2010.

[2]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[3]李文仲.段朝玉.ZigBee入门与实践[M].北京航空航天大学出版社，2007.

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