大棚温湿度无线控制系统设计

王 凯，刘子杰

(1.上海出版印刷高等专科学校信息与智能工程系，上海 200093；2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

农业设施在世界现代化农业发展中扮演着重要的角色。大棚是其中一项重要的农业基础设施。因此，采用单片机和传感器设计1套集检测和控制于一体的智能大棚系统[1-3]迫在眉睫。

近年来，在大棚环境参数的检测与控制方面已经出现了不少科研成果，例如基于单片机的多点温度检测控制系统[4]、基于单片机的单点温度远程控制系统[5]、基于USB串口的多路温度检测系统[6]。其中：大多数的参数还是采用有线检测[4-9]；即使有无线检测，也基本上是单路检测，不适用于布线麻烦或者不能布线的场合。针对上述问题，本文设计了1个大棚温湿度无线控制系统。该系统以nRF24L01芯片为通信核心，使用5块nRF24L01芯片进行一对四的无线通信。

1 系统方案设计

本文设计的大棚温湿度无线控制系统由主机和从机2个部分组成：从机的主要作用是测量温湿度并发送给主机；主机根据从机测量的温湿度数据控制风扇、加湿器、抽湿器、加热器等设备。整个系统呈现为星形结构。

系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

从机的工作原理是一样的。从机的个数即温湿度监测点个数，可以根据所测环境的范围大小来确定。本系统中采用了4个从机。

主机和从机之间采用询问-应答模式来传送数据。正常工作时，主机向从机发送查询命令，从机通过温湿度传感器采集大棚的温湿度数据，经过处理后采用无线方式把温湿度数据依次发送给主机。主机收到温湿度数据后，对其进行处理和分析，在液晶屏上显示温湿度测量值，并在超限时通过蜂鸣器报警；同时，对大棚的温湿度进行调节,达到大棚自动调温、调湿的功能[10-11]。无线收发模块具有超时重发功能，能够有效地避免传输过程中的丢包现象以及其他信号的干扰。该系统可以实现人在管理室里对大棚进行观察、控制的功能。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

主机由主控电路[12-13]、蜂鸣器报警电路、时钟电路、液晶显示模块、无线收发模块、驱动电路等组成。

主机硬件如图2所示。

图2 主机硬件框图

从机由主控电路、温湿度采集模块、发光二极管和无线收发模块等组成。系统正常工作时，温湿度测量电路会将采集到的数据信息发送到主控电路，主控电路对数据进行处理，再将它传送到无线发射模块，由无线发射模块发送到主机。

从机硬件如图3所示。

图3 从机硬件框图

2.2 主控电路设计

主控电路主要是由STC89C52单片机、晶振电路、电源和复位电路4个部分构成。STC89C52单片机自带8 KB FLASH、512 B ROM、32个通用I/O口和3个16位可编程定时/计数器。STC89C52单片机代码可以向下兼容传统的89C51单片机，并且具有读写速度快、功耗低、掉电数据不会丢失等特点。

晶振电路为单片机提供稳定的时钟频率。XTAL1为外部连接晶振的输入端口，连接单片机的第19脚；XTAL2为外部连接晶振的输出端口，连接单片机的第18脚。该单片机晶振的大小不可超过24 MHz。经过综合考虑，本文最终选择了12 MHz的晶振。在晶振电路中，串联电容可进行滤波，使工作频率更加稳定。电容的选择范围通常在15～30 pF之间，在特定范围内电容值的大小和晶振的稳定性成正比。因此，该电路中的电容选用30 pF。

复位电路由电容和电阻构成，与单片机的第9脚，即控制器复位引脚(RST)相连。当按下按键时，电容瞬间释放很高的电压值，转换为高电平作用于RST引脚。当RST引脚的高电平状态持续2个或2个以上机器周期时，系统将恢复到原始状态，即复位。

2.3 温湿度采集模块

本系统的温湿度采集模块采用DHT11温湿度传感器。DHT11的测量范围是湿度20%～90%、温度0～50 ℃，符合大棚的环境测量要求。该传感器共有4个接口：引脚1外接3～5 V电压；引脚2与单片机的P1.0口相连，进行串行数据通信；引脚3悬空；引脚4接地。

DHT11在采集数据信息时，先对接收到的命令进行响应，再进行温湿度信息的采集。DHT11将采集到的模拟量信息通过内置的A/D采集缓冲器转换成数字量信息，可以直接向单片机发送数字量，无需额外的数模转换。最后切换到低速模式，等待下一次采集命令。该温湿度采集电路简单，检测精度强，可靠性高，抗干扰能力较好。

2.4 液晶显示模块

本系统采用液晶显示模块实时显示温室大棚内多点的温度和湿度，依次循环显示从机1～从机4传送的温湿度信息。LCD1602可以一次性显示32个字符，通过电压驱动，使用简单、成本低，满足系统设计需要。因此，本系统设计采用LCD1602。单片机的P1.0和P1.1连接LCD1602的控制端。温湿度信息通过P0口，以8位并行的方式传给显示器。其中，P0口应接10 kΩ的上拉电阻。

2.5 无线收发模块

本系统选用nRF24L01作为无线收发模块。该模块具有高速、低功耗、低成本的特点，内置循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)和点对多点的通信地址控制，能自动重发，并可以在2.4 GHz的无线频率上进行数据传输，遵循串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)协议。从机和主机中都会用到该模块。

2.6 蜂鸣器报警电路

虽然该系统可以自动调节大棚的温湿度，但是为了提高系统的交互性，设计了1个蜂鸣器报警电路来提醒用户当前大棚的环境是否超限。该蜂鸣器报警电路主要由有源蜂鸣器、电阻和PNP三极管组成。其中：三极管用于放大电路；电阻可限流，以减小蜂鸣器电流对整个系统电路的影响。当大棚的实际温湿度不在设定范围内时，单片机P1.2输出一个低电平，通过三极管来放大输出功率，驱动蜂鸣器发出警报。

2.7 驱动电路

驱动电路[14]主要由电机、继电器、发光二极管、三极管等元器件组成。当单片机的T0口发生负跳变时，三极管导通，继电器动合，相应电机开始控制设备工作；当单片机的T0口发生正跳变时，三极管截止，继电器动断，电机控制设备停止工作。

2.8 矩阵键盘

矩阵键盘是由4个按键K1～K4组成。按键K1、K2分别用来加减数值；按键K3为温湿度设置按键，将按键K3按下1次可设置温度上限、按下2次可设置温度下限、按下3次可设置湿度上限、按下4次可设置湿度下限、按下5次保存退出设置页面；K4为复位按键。通过这4个按键，可以自由调整温湿度的限值范围。

3 系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

主机接收到温湿度数据后，先判断数据值是否为有效值，再根据接收到的有效数据分别求温度和湿度的平均值。所得的平均值即为本轮检测中大棚的温湿度测量值。主机将温湿度测量值显示在液晶屏上，同时对其进行分析。如果温湿度测量值超出了设定范围，则通过执行机构相应继电器的吸合，控制风扇、加湿器、抽湿器、加热器等对大棚的温湿度进行调节。

从机等待主机的命令。当从机通过无线收发模块收到要求发送数据的命令后，采集到的温湿度数据由无线收发模块发送给主机。

从机控制流程如图4所示。

图4 从机控制流程图

3.2 无线收发模块收发流程

nRF24L01的一对多通信，实际上同一时刻是一对一通信。2个nRF24L01要实现通信，需要将4个参数设置得相同，即发射、接收数据宽度相同(最大32个字节)，发射、接收地址相同(5个8位地址)，发射、接收频道相同(0～125)，发射、接收速率相同(2 Mbit/s、1 Mbit/s、250 Mbit/s)。实现一对多通信有3种方式，分别是修改为不同的频道、修改为不同的地址，以及修改为不同的频道+不同的地址。本系统中采用的是将各个从机的无线收发模块修改为不同的频道，通过改变主机无线收发模块的频道决定主机与哪一个从机进行通信。例如，主机把频道修改为从机1的频道以后发送数据命令，从机1收到命令后发送温度数据给主机，主机进行响应；主机再把频道修改为从机2的频道后发送数据命令，从机2收到命令后发送温度数据给主机，主机进行响应；以此类推。

3.3 有效值判断流程

为了应对从机出错或失效的情况、减小测量误差，系统将判断主机接收到的采集值：如温度值和湿度值与前一时刻液晶显示值相比，变化分别在±10℃和±20%以内，则判断为有效值；否则，本次检测无效，将抛弃本次数据，不作处理。

有效性判断流程如图5所示。

图5 有效性判断流程图

4 系统测试与分析

nRF24L01芯片一共有126个频道可用于建立通信[15]。但是为了降低一对四通信时的干扰，本文将从机无线收发模块的频道依次设定为10、40、70、100。通过周期性地改变主机无线收发模块的频道来与从机依次建立通信。经过多次调试，该系统运行良好，主机在与从机相距几十米时，可以准确地接收数据；从机之间的距离超过4 m时，干扰可以忽略[16]。为了测试系统的测试值是否与实际值相符，以及对应设备是否动作，本文进行了对比试验。测试时间为某天的11时到13时，每20 min测试一次，温湿度的设定范围值分别为25～27 ℃和50%～60%，将4个数字温湿度计检测的平均值作为实际值。温湿度测试值如表1所示。

表1 温湿度测试值

加热器、风扇、加湿器和除湿器对应的时序如图6所示。图6中：1代表对应设备开，0代表对应设备关。

图6 对应外设时序图

由图6可以看出，测量值和实际值会有误差，但是误差不大，对蔬菜生长的影响可以忽略不计。试验过程中，系统能够正常工作，对应继电器能够正常吸合，设备能够正常开关。总体而言，系统能按照设定的目标正常运行，实现监测、控制的目的。

5 结论

本文以STC89C52单片机为核心、DHT11为温湿度采集模块、nRF24L01为无线收发模块、LCD1602为液晶显示模块，通过不同模块之间的相互配合，组成了大棚温湿度无线控制系统。经测试证实，该系统达到了设计的预期效果：提高了检测精度和效率，可以实时显示温湿度数据，并自动调节大棚的温度和湿度。但是该系统还存在不足：只能满足几十米的传输距离；监控参数只有温度和湿度。后续将围绕这些问题进行改进，如：添加Wi-Fi和4G/5G模块以实现更远距离的传输；添加光敏电阻等传感器以控制光照强弱等。