基于2.4G无线传输的热带花卉环境监测系统

高家宝++黄建清+孙逊

摘 要：文中采用2.4G无线通信模块E01-ML01DP5，以STC89C52为微控制器，设计了一款无线智能热带花卉环境监测系统，并且给出了软硬件的设计和实现。采集节点以STC89C52为核心，并根据影响热带花卉生长的环境参数装载AM2301温湿度传感器、GY-30光照传感器，因此采集节点可以同时采集传输多种环境参数，降低硬件成本。该系统作为E01-ML01DP5模块在智能热带花卉系统方面的一个典型应用，在实际运行过程中也取得了比较满意的效果。

关键词：2.4 G无线通信模块；STC89C52；环境监测系统；热带花卉

中图分类号：S625.5+1；S126 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

随着国内外花卉市场需求量日益增大，尤其是热带花卉需求量的增大，海南岛发展热带花卉产业具有广阔的市场前景[1]。由于设施花卉[2-5]生产具有高品质、高产量、稳定生产等优点，因此在当前热带花卉栽培中的地位越来越重要。这表明花卉生产已从自然生长的状态进入由人工操控的智能化时代[5，6]。智能热带花卉环境监测系统充分利用无线传感网络技术，可实时远程获取热带花卉设施的温度、湿度及光照强度，为热带花卉提供良好的生长环境，从而使经济及社会效益最大化[7-10]。综上所述，研究和实现一种低成本、智能化、实时性的热带花卉环境监测系统至关重要。

本文选择2.4 G无线通信模块E01-ML01DP5作为智能热带花卉环境监测系统的无线通信技术，在深入研究E01-ML01DP5协议的基础上以STC89C52为微控制器，提出了相应的环境监测系统解决方案。本系统可实现对热带花卉环境的温度、湿度及光照强度的监测。

1 系统整体方案设计

本文以低功耗、高性能8位微处理器STC89C52为核心设计了环境监测采集节点和协调器节点。采集节点的系统框图如图1所示，该系统分为环境参数传感器、LCD液晶屏、各种设施控制模块（包括照明灯亮度调节、水闸开关控制、空调或风扇开关控制）、2.4 G无线通信模块和STC89C52微处理器5大部分。采集节点由市电或USB电源供电，环境参数传感器实现对热带花卉环境温度、湿度和光照强度的监测，LCD液晶屏实时显示各项环境参数，2.4 G无线通信模块负责数据的发送和接收。

图2所示是协调器节点的系统框图，该系统分为LCD液晶屏、2.4 G无线通信模块、按键模块和STC89C52微处理器5部分。接收节点不仅将采集节点的温湿度及光照强度数据显示在LCD屏上，还同时利用USB串口将这些数据同步上传于PC机，便于保存和查看，甚至可以制作人机交互界面。若环境条件不适于花卉生长，可通过2.4 G无线通信模块将按键操作转换为相应的数据格式送至采集节点，从而控制设施更改环境参数，并在本地的LCD液晶屏上实时显示。此外，该模块由5 V适配电源或USB电源供电。

2 系统核心硬件电路设计

2.1 照明灯亮度调节电路设计

合理选用环境参数传感器是设计热带花卉环境监测系统至关重要的一环，为了能够正常监测热带花卉生长环境的参数，本设计采用AM2301数字式温湿度传感器和GY-30光照传感器，温湿度传感器以及光照强度传感器电路如图3所示。

AM2301是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，输出数据格式为湿度数据高位+湿度数据低位+温度数据高位+温度数据低位+校验和。AM2301的性能参数基本满足热带花卉环境监测的需求。此外，选用数字式温湿度传感器可降低设计难度，并可利用输出数据中的校验和提高接收数据的正确率。

GY-30是一款数字光强度检测模块，直接数字输出，省略复杂的计算、标定，降低设计难度。GY-30的光照强度检测范围基本满足大部分不同品种的热带花卉在不同生长时期的需求。GY-30采用I2C协议传输数据，因此利用微处理器的I/O管脚模拟I2C接口协议与GY-30通信完成光照强度参数的采集。

2.2 功耗检测电路设计

该热带花卉环境监测系统的无线数据传输由2.4 G无线通信模块E01-ML01DP5实现，功耗检测电路如图4所示。E01-ML01DP5模块集成了NRF24L01、PA（功放）和LAN（局域网），带屏蔽罩和外螺纹内孔SAM射频座，通信距离可达2.1 km，性能较好，传输稳定，具有良好的抗干扰性和灵敏度。该无线通信模块与其它常用无线通信技术（包括蓝牙技术、NFC技术、ZigBee技术）相比，具有传输距离远和抗干扰性好两大优点。

2.3 实时时钟电路设计

使用一种高性能、低功耗的实时时钟芯片DS1302与微处理器89C52相配合实现实时时钟功能，实时时钟电路如图5所示。DS1302具有SPI三线接口，因此89C52可根据DS1302的数据传输格式及时序使用软件编程实现读写操作，从而使实时时钟具有提供秒、分、时、日、星期、月和年的功能。避免系统重新上电后手动设置时间，本设计使用的DS1302采用双电源供电，在系统电源掉电后可切换至备用电源（备用电源由图5中的P4端口接入）为其供电。

3 系统软件设计

3.1 采集节点软件设计

采集节点主要负责环境参数的采集及发送、花卉设施的控制，其软件设计流程图如图6所示。STC89C52微处理器先进行一系列的初始化，其中传感器、E01-ML01DP5模块和LCD1602的初始化分别为环境参数数据采集、数据发送、环境参数显示做准备。采集节点可实现如下功能：

（1）通过各种传感器将采集到的环境参数数据送至LCD1602进行显示；

（2）将每间隔两分钟采集到的环境参数数据按照规定格式转换后无线传输至协调器节点；

（3）接收来自协调器节点的控制命令调整风机、照明灯、空调、除湿机等花卉设施的工作状态。

该节点的环境参数数据格式为：0x00（起始符）+两个字节（节点符）+RH+4个字节（湿度十位+湿度个位+湿度小数位）+TP+4个字节（温度十位+温度个位+温度小数位）+LT+5个字节（光照强度的万、千、百、十、个位）+0x55+0x55（结束符）。

3.2 协调器节点软件设计

协调器节点主要负责接收、处理环境参数数据和发送花卉设施的控制命令。其软件设计流程图如图7所示。STC89C52微处理器先进行一系列的初始化后，再将环境参数接收和换算显示在液晶屏上，并经由串口发送至PC机，便于查看和存储。往后可制作智能化、友好的人机交互界面。

4 系统调试及结果分析

采集节点上电后正常工作如图8所示。由于距离光源较远，采集到的光照强度仅为85勒克斯，室内温度、湿度分别为31.5℃和44.0%，与标准环境参数测量仪器仪表所测量的数据对比，误差在可接受的范围内。该节点具有USB供电与市电供电两种供电方式。经验证，节点在两种供电方式下均正常工作。

协调器节点上电后正常接收采集节点发送的环境参数数据如图9所示。在采集节点处用手电筒当作光源加强光照强度，因此协调器接收到的光照强度为161勒克斯，室内温度、湿度分别为31.8℃和43.7%。

通过采集节点监测热带花卉环境参数，并由微处理器处理经2.4 G无线射频模块将环境参数数据发送至协调器节点模块，同时采集节点和协调器节点的显示屏同步显示环境参数，从而实现热带花卉监测系统的环境参数监测功能.

5 结 语

本文提出了一种基于2.4 G无线通信模块的热带花卉环境监测系统，能够正常接收环境参数数据，通过分析所采集到的数据调控花卉设施为花卉生长提供适宜条件，从而达到该系统的目的。同时系统还具有较强的拓展性和灵活性，在往后的设计中可加入多个传感器节点来组成一个覆盖范围较大的无线传感网络的热带花卉环境监测系统，有较强的实用价值。同时本次设计对2.4 G无线通信模块多节点控制进行研究有一定的指导意义。

参考文献

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