1种无线智能多功用农业监测装置的设计

龙光利

摘要：为了实现农业温室环境的测量、调节和自动化管理，利用单片机设计了1种无线智能多功用农业监测装置，该装置可分为硬件、软件2个部分，硬件有单片机最小系统、数据采集电路、无线收发电路、数据处理终端；软件有数据采集终端程序和数据处理终端程序。用C语言编写程序，在keil4环境下进行编译，通过后下载到单片机STC89C52中，将单片机与其他相关元器件焊接在PCB板上后上电，可实现空气湿度、空气温度、光照强度和土壤湿度的实时采集和无线传输，被测参量阈值可输入和查看、数据可上传至PC上位机并可绘制相关测量项的数据曲线。

关键词：传感器；单片机；无线发送；无线接收

中图分类号：TP212.9；S126文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）11-0424-04

随着经济的不断发展，在农业大棚中种植蔬菜水果已经得到普及[1]。利用传感器采集室温、空气湿度、土壤湿度、光照强度等农作物生长状态相关参数，结合作物生长所需最佳条件，可将室内温度、湿度、光照、水量、肥量、气压等因素综合调节到最佳状态，形成大棚农业环境监测系统。大棚农业环境监测系统可采用有线和无线通信的方式，有线通信技术虽然具有设备操作性好、抗干扰能力强等优点[2]，但大棚内的数据采集大多在广阔的空间内进行，需要密布传感器节点，这就导致大棚内线缆纵横交错，棚内作业不便，灵活性和扩展性能差，系统安装及维护成本高；同时因实际应用环境潮湿、高温、土壤及空气具有较强的酸碱性，易导致通信电缆的老化。因此，无线智能多功用农业装置对节省人力物力有着重要意义。

1系统原理

设计的无线智能多功用农业监测装置的原理框架图如图1所示。系统分为数据采集终端和数据处理终端，其中数据采集终端包括单片机最小系统、传感器电路、无线发射电路；数据处理终端包括无线接收电路，单片机最小系统、矩阵键盘显示电路、控制接口、TTL转USB接口及PC上位机等。系统工作原理是：空气湿度传感器和土壤湿度传感器测量输出电压，经过模数转换为数字量后存入单片机中；空气温度传感器和光照传感器都直接将数字量输出给单片机，单片机接收测量数据后经无线发射电路发射。在数据处理终端，单片机对无线接收到的数据进行处理，通过LCD1602显示出来，并将数据依照通信协议经TTL转USB接口上传给PC上位机，上位机则根据数据绘制相关测量项的数据曲线，并保存在数据库中；同时单片机连续地扫描矩阵键盘，可通过矩阵键盘输入

和查看各测量项阈值。

2硬件电路设计

2.1单片机最小系统设计

数据采集终端和数据处理终端都选用单片机STC89C52，单片机最小系统[3]由STC89C52单片机、时钟电路、复位电路组成，主要对各个模块进行调度控制。STC89C52单片机是一种低功耗的8位CMOS微控制器，兼容51系列单片机，内部具有8kB的FLASH程序存储空间、256B的内部RAM、32个可编程I/O口线、3个16位的定时/计数器、全双工UART串行接口、内置看门狗定时器、双数据指针。时钟电路采用内部时钟，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间接1个11.0592MHz的外部晶振，选择2个30pF的瓷片电容，串接在晶振两脚帮助晶振起振，内部时钟频率为11.0592MHz。复位电路采用手动加上电自动复位方式，既具有上电自动复位的功能，又能够通过小按钮手动复位。

2.2数据采集电路的设计

数据采集电路主要由STC89C52单片机最小系统、各种传感器、模数转换电路和Si4432芯片构成的无线发射模块等组成。

2.2.1空气湿度传感器空气湿度传感器选择ATM1001，输出量为电压，经由ADC0809模数转换为数字量传输到STC89C52R单片机。空气湿度传感器连接电路如图2所示，4个管脚分别为Vcc、GND、Vout、NULL，其中Vcc接5V直流电源，GND为电源地，Vout与模数转换ADC08091脚（即IN3）相连，NULL悬置。空气湿度传感器ATM1001输出电压与相对湿度的对应关系见表1。

由表1可知，ATM1001空气湿度传感器的输出电压（U0）与空气相对湿度（RH）有良好的线性关系，计算公式为：RH=（U0/0.3）×100%。但空气相对湿度达到100%时，ATM1001空气湿度传感器的电压输出值为3V；而ADC0809采用的是+5V的单电源基准电压，最大湿度电压未能达到ADC0809芯片的满量程，最大数字输出量为153，因此湿度归一化处理公式为：RH=（ADC/153）×100%。

2.2.2土壤湿度传感器土壤湿度传感器的原理是电容两端的电压随电容介质改变而变化，当介质为空气时，两端输出电压最大；而当传感器插入湿润的泥土中时，介质的导电性较好，两端电压就会随着湿度的增大而降低。土壤湿度传感器采用YL-69，呈倒U形，两极采用加宽的感应铜箔，表面采用镀镍方式，可以更好地防止生锈，提升导电性能，延长使用寿命。输出一端接地，一端与ADC0809模数转换电路2脚（即IN4）相连，同时加5.1Ω电阻与5V电源相连，以增强抗干扰性能。

2.2.3光照强度传感器光照强度传感器采用ROHM原装BH1705FVI的数字模块GY30，I2C总线结构，光照度范围为0～65535lx，内置16bA/D转换器，直接输出数字量，接近于视觉灵敏度的分光特性，可对光照亮度进行1lx的高精度测量。模块内部包含通信电平转换，可与5V单片机I/O引脚直接相连。光照强度传感器连接电路如图3所示。

图3中的4个管脚为Vcc、SCL、SDA、ADDR，其中Vcc接3～5V直流电源，SCL为I2C总线时钟引脚，SDA为I2C总线数据引脚，ADDR为BH1750I2C设备地址引脚，GND为电源地。

2.2.4空气温度传感器空气温度传感器采用数字空气温度传感器DS18B20，采用独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要1条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯[2]。测温范围-55～125℃，固有测温误差0.5℃[4-5]，工作电源为3～5V（直流）；完成测量后，测量结果以9～12位数字量方式串行传送给单片机。endprint

2.2.5模数转换电路ADC0809模数转换电路如图4所示。空气湿度和土壤湿度传感信号可接入IN0～IN7，可将空气湿度和土壤湿度传感模拟信号变为数字信号送给单片机处理。ADC0809允许最多8路输入电压，转换数据由8位并行口输出，输出数字量范围为0～255，基准模数转换电路采用8位模数转换芯片ADC0809，芯片转换速率可达130μs/次，工作电压+5V，输入电压0～5V，工作时钟频率为500kHz，时钟由单片机定时中断提供。

2.3无线收发电路的设计

无线发射和接收均采用SiliconLabs公司Si4432芯片构成的模块[6]，该芯片集成具有-118dBm的超高灵敏度，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低，工作频段范围为240～960MHz，最高输出功率可达+20dBm，在最大功率设置条件下，开阔通信距离可达1km或更远。Si4432内部集成了天线分集、休眠唤醒定时器、64B收发FIFO等功能；同时，Si4432芯片还具有跳频和信道信号强度评估功能。其外围电路仅需要1个30MHz晶振及几个电阻、电容、电感等[4]。Si4432射频连接电路如图5所示，其中单片机与Si4432芯片通过标准的串行接口（SPI）相连，通过SPI口配置Si4432内部寄存器和实现数据的读写；Si4432的TX引脚为射频信号发送端，RX引脚为差分信号接收端，射频信号的发射和接收端通过RF开关芯片UPG2214与天线相连。

2.4数据处理终端的设计

数据处理终端主要包括Si4432芯片构成的无线接收模块[7]、STC89C52单片机最小系统、LCD1602液晶显示电路、4×4矩阵键盘电路、控制接口、TTL转USB接口[8]及PC上位机等。

LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，由若干个5×7或者5×11点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示1个字符，每位之间有1个点距的间隔，每行之间也有间隔[9]；LCD1602显示的内容为16×2，即可以显示2行、每行16个字符的液晶模块。

矩阵键盘用于阈值输入和查看。按键数量大于4个时，可将键盘接成矩阵键盘电路，工作原理是在单片机P口高四位送1，低四位送0，然后不断循环检测高四位是否为1，若为1，说明无按键按下，若其中有1位为0，说明有按键按下，并且通过行列扫描的方式可以获取按键所在的行和列，从而推算出所按的按键，并执行相应的按键处理程序。

3软件设计

3.1数据采集终端程序设计

数据采集终端程序包括主程序、模数转换子程序、无线发送子程序等。主程序初始化之后，循环执行光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度和无线发送子程序。

进入模数转换子程序后，单片机给ADC0809芯片的ALE管脚1个下降沿锁存地址，然后START管脚在1个下降沿后开始转换，并等待EOC管脚变高电平后，将OE管脚拉高，从ADC0809的8位并行口取出转换结果存入单片机的缓冲区中。当完成光照强度、空气湿度、空气温度、土壤湿度采集后，数据存入发送缓冲数组，并进行格式转换后开启发送，发送采用串口发送，工作方式选择方式1，数据位有9位，波特率选择9600Bd。发送过程是依次发送地址、数据长度、采集数据、生成校验位并发送，返回主程序。

3.2数据处理终端程序设计

数据处理终端程序包括主程序、键盘扫描子程序、阈值输入子程序、无线接收中断子程序等。

数据处理终端主程序流程见图6，可以看出，数据处理终端初始化之后，显示开机界面，调用键盘扫描子程序，调用阈值输入子程序；键盘扫描完毕且退出阈值子程序后，读取接收成功标志位，标志位等于“1”，表示成功接收正确的数据，则将缓冲区数据存入测量值数组中，然后显示测量值，将测量数据通过USB口上传至PC上位机，并返回键盘扫描循环接收处理；标志位等于0，表示未能成功接收，则重新读取接收标志位。

[FK（W19][TPLGL6.tif][FK）]

键盘扫描子程序：使用4×4矩阵键盘，用于阈值输入和阈值查看；键盘扫描子程序可分为：判断按键事件程序、获取键值程序以及去抖动程序。进入子程序运行时，先拉低矩阵键盘4个端口的电平，执行判断按键事件程序，轮流扫描键盘其他4个端口，端口低，为有键按下的触发信号，当发现有任何一个按键按下，首先要延时进行消抖操作以防止按键误触和按键次数误判，消抖之后扫描到按键依然按下则获取按键键值，等待按键释放，然后返回按键值。

阈值输入子程序流程见图7，与键盘扫描子程序相配合，主要负责光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度等测量项上下限的输入、保存以及查看，当扫描到键盘有按键按下时，读取键值，判断键值等于15时进入阈值显示界面显示阈值；判断键值大于9、小于13时，进入阈值输入步骤；键值等于10、11、12、13时，分别进入空气湿度、土壤湿度、光照强度、空气温度的阈值输入界面，首先输入最低值，再按14号键确认输入，然后输入最大值，再按14号键确认输入，完成一次阈值输入流程，跳出子函数。当有键按下并且按键值大于9时，进入阈值查看和阈值输入子程序，其中当按键值等于15时查看4组阈值；按键值小于15大于9之间的4个键位（10、11、12、13键位）分别代表1个测量项阈值输入指令。

无线接收中断子程序流程如图8所示。当串口收到数据，触发中断进入中断程序，在中断程序中，首先校验接收到的第1位地址数据，地址正确时才继续接受之后的数据，完成数据接收后，生成校验位并与接收到的校验位作对比，相等时存入缓存数组中。

用C语言编写数据采集终端程序和数据处理终端程序，在keil4环境下进行编译[10]，通过后分别下载到2片单片机STC89C52中。

4试验分析endprint

将所有单元电路在Proteus平台上仿真，通过后设计制作PCB板[11]，将下载程序的单片机与其他元器件焊接在PCB板上，上电，进行功能测试。可借助串口调制助手调试无线收发过程，先发送1组固定数据，在发送语句之前插入1句上传语句，在接收端将接收的数据上传至串口调制助手显示出来，若收到该上传语句，可判断发送程序发送成功。检查LCD1602电路，连接无误后，下载1段与显示无关的程序到单片机，调节液晶对比度使之显示正常。在无线模块调试完成后，将数据采集终端和数据处理终端配合进行整体联调，将数据采集部分放置在野外环境，对光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度等进行采集，并将采集数据进行无线传输，开阔无线传输距离可达数百米，最远可达1km。数据处理终端可实现数据无线接收、被测参量阈值可输入、查看和报警，数据经TTL转USB接口可上传给PC上位机，上位机则根据数据可绘制相关测量项的数据曲线，并可保存在数据库中。

5结论

无线智能多功用农业监测装置可实现空气湿度、空气温度、光照强度和土壤湿度的实时采集和无线传输，被测参量阈值可输入和查看、数据可上传PC上位机并可绘制相关测量项的数据曲线，为农业自动化提供了一种解决方案。此外，本装置可增加摄像头和自动阀门[12]，可监控并了解农场现状，实现自动灌溉。

参考文献：

[1]龙慧.无线传感器网络发展现状研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（6）：9-12.

[2]吕振，林振杨，何武林，等.基于ZigBee的大棚农业监测系统的设计与实现[J].贵州农业科学，2012，40（4）：227-230.

[3]李建忠.单片机原理及应用[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

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[8]于波，胡毅，文江涛.基于CP2102的USB接口设计[J].国外电子测量技术，2007，26（3）：40-42.

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[10]段向东，毋茂盛，毋玉芝.KeilC51程序设计中几种精确延时方法[J].单片机与嵌入式系统应用，2007，7（12）：33-35.

[11]陈超.ProtelDXP元件封装库的研究[J].现代电子技术，2009，32（24）：163-167.

[12]ShiEX，YangJL，LiJ，etal.DesignofindoormobilerobotpositioningsystembasedonSTC12C5616ADMCUandnRF24L01[J].AdvancedScienceLetters，2012，11（1）：429-432.endprint

将所有单元电路在Proteus平台上仿真，通过后设计制作PCB板[11]，将下载程序的单片机与其他元器件焊接在PCB板上，上电，进行功能测试。可借助串口调制助手调试无线收发过程，先发送1组固定数据，在发送语句之前插入1句上传语句，在接收端将接收的数据上传至串口调制助手显示出来，若收到该上传语句，可判断发送程序发送成功。检查LCD1602电路，连接无误后，下载1段与显示无关的程序到单片机，调节液晶对比度使之显示正常。在无线模块调试完成后，将数据采集终端和数据处理终端配合进行整体联调，将数据采集部分放置在野外环境，对光照强度、空气温度、空气湿度、土壤湿度等进行采集，并将采集数据进行无线传输，开阔无线传输距离可达数百米，最远可达1km。数据处理终端可实现数据无线接收、被测参量阈值可输入、查看和报警，数据经TTL转USB接口可上传给PC上位机，上位机则根据数据可绘制相关测量项的数据曲线，并可保存在数据库中。

5结论

无线智能多功用农业监测装置可实现空气湿度、空气温度、光照强度和土壤湿度的实时采集和无线传输，被测参量阈值可输入和查看、数据可上传PC上位机并可绘制相关测量项的数据曲线，为农业自动化提供了一种解决方案。此外，本装置可增加摄像头和自动阀门[12]，可监控并了解农场现状，实现自动灌溉。

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5结论

无线智能多功用农业监测装置可实现空气湿度、空气温度、光照强度和土壤湿度的实时采集和无线传输，被测参量阈值可输入和查看、数据可上传PC上位机并可绘制相关测量项的数据曲线，为农业自动化提供了一种解决方案。此外，本装置可增加摄像头和自动阀门[12]，可监控并了解农场现状，实现自动灌溉。

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