无线大棚温湿度监控系统设计

东莞职业技术学院 薛胜朋 胡叶容

人们在农业生产中需要实时的对温湿度进行测量，因此研究温湿度的测量方式具有重要的意义。随着科学技术的不断发展，温室大棚农业也慢慢地得到了普及。但是现有的温室大棚数据采集系统大多数是通过人工值守和有线方式采集。有线数据采集受地理环境的影响较大，大大浪费了资源和降低了效率。

针对现状，笔者提出了一种可以满足实际农业生产监控，易扩展且性价比高的无线多路温湿度监控系统。通过该系统可以对温室大棚的温湿度进行实时数据监测，实现自动报警，自动控制。

1 总体设计

系统由两部分组成：从机节点系统和主机接收系统。从机节点系统由温湿度传感器，STC89C52RC单片机，nRF24L01无线收发模块，LCD1602组成。主机接收系统由按键输入模块，报警模块，nRF24L01无线收发模块以及LCD12864组成。系统总体结构如图1所示。

节点安装在大棚各个位置，温湿度传感器实时采集数据，单片机进行数据处理，通过无线收发模块将数据发送至主机接收系统上，同时与用户设定的温湿度上限值进行对比，如果超过阀值，则蜂鸣器报警，同时控制温湿度调节系统的开与闭。主机上的无线收发模块通过地址来区分各个节点的温湿度数据，最终将接收到的温湿度数据实时显示在主机自带的LCD12864上。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件结构设计

2.1 温度传感器电路

本系统的温度传感器选用新一代数字式温度传感器DS18B20，其测温范围-55～+125℃，最高分辨率可达0.0625℃。它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，成本低。

图3 无线模块工作原理图

图4 单片机接线图

湿度传感器采用数字温湿度传感器DHT11，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，测量范围相对湿度20%～90%RH，摄氏温度0～50℃。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。数据接口采用单线制串行接口，信号传输距离可达20m以上。传感器典型连接方式如图2所示，电源正与地跟单片机电源正和地相连接，8路数据接口分别接5.1k上拉电阻与单片机P口连接。

图2 湿度传感器接口电路

2.2 无线收发模块

本系统采用2.4GHz无线单片收发芯片nRF24L01，采用FSK调制，可以实现点对点或1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。它体积小、功耗低、外设少、速率高，非常适合于无线传输应用系统。nRF24L01可以由SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。STC12C5A60S2单片机集成了SPI控制器，可以非常方便地通过软件设置，只收到本机地址时才会输出数据，编程很方便。nRF24L01的连接图如图3所示。

2.3 报警控制装置

报警应用12V有线声光报警装置，声光交替，发声装置采用蜂鸣器，以引起注意。控制装置用于调节温室的温度和湿度，主要是排风扇、加热器、加湿机、干燥机等，这些执行设备一般具有较高的功率，需要专门的驱动电路控制。采用继电器控制，由单片机I/O口输出控制信号，经光耦隔离将弱电与强电控制分开，实现前后级电路的电气隔离，可以提高控制系统抗干扰能力。工作时，单片机的I/0口驱动继电器，启动排风扇、加热器、加湿机、干燥机等执行机构，调节温室环境温湿度。

2.4 单片机系统

从机节点和主机接收部分的单片机系统均采用由STC公司生产的STC89C52RC单片机。单片机系统包括晶振、复位、显示及RS232串行通信等。单片机与PC的串口进行通信，中间需接有电平转换芯片，该系统采用MAX232电平转换芯片。温湿度是一个缓慢变化过程，实时性要求不是很高，因此系统晶振采用11.0592M，为RS232提供准确波特率。复位采用上电自动复位和看门狗复位，提高系统的稳定性，如图4所示。

3 测试系统软件设计

系统软件包括节点和监控中心两部分节点部分主要由温度采集子程序，湿度采集子程序，无线发送子程序，1602显示子程序组成。节点系统上电后，单片机首先复位，接着各个模块开始初始化，设置节点地址，再调用温湿度采集子程序，然后调用发送数据子函数，将数据发送出去，同时调用1602显示子程序，将当前的数据也显示在从机节点上。

接收主机部分由无线接收子程序，按键扫描程序，12864显示子程序组成。单片机上电复位，然后各个模块进行初始化，设置接收地址，按键扫描子程序，接着调用无线接收子程序，将数据接收后，同时将数据实时显示在LCD12864上。

表1 温度和湿度测试结果

4 结论

测量数据如表1所示：控制器实际测量温湿度值与专业的温湿度测量工具温湿度值有一定的偏差，温度测量精度误差在0.5℃以内，湿度测量精度误差在2%RH内，并且温度和湿度变化超过设定值时，执行机构正常工作，报警电路正常工作；测试结果表明，笔者设计的无线温室大棚监控系统，节点与接收主机工作稳定，达到了预期的性能指标。实验表明该系统具有良好的人机界面，操作简单，维护方便，具有较为广泛的应用前景。

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