- 相關(guān)推薦
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計論文
0 引言
傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境一般都是分散且面積比較大的，如傳統(tǒng)種植對環(huán)境的溫濕度要求僅僅源于自然界四季溫濕度變化。這種傳統(tǒng)的種植方式局限于時令蔬菜，而對于反季節(jié)蔬菜的種植，就需要能控制溫濕度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫濕度要求非常精確的種苗培育室。傳統(tǒng)的溫濕度控制采用人工控制方式，耗費大量精力和時間，控制的精度反而很低，實時性非常差。比如，在加熱機構(gòu)出現(xiàn)故障短時間內(nèi)溫濕度發(fā)生劇烈變化時，人工無法及時做出反應(yīng)，可能會造成嚴重的后果。為此，設(shè)計了一種采用多點溫濕度采集、使用無線數(shù)傳模塊對溫濕度進行實時監(jiān)控及通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程客戶端便于統(tǒng)計和集中控制的系統(tǒng)。由于采用無線數(shù)傳模塊，可以隨時擴展溫濕度采集節(jié)點，僅需要通過更改軟件控制數(shù)量即可，并通過軟件程序?qū)Νh(huán)境溫濕度進行實時控制，實現(xiàn)了無人值守及遠程監(jiān)控。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
本系統(tǒng)主要通過對各個節(jié)點溫濕度進行監(jiān)測，然后通過無線數(shù)傳方式將數(shù)據(jù)傳到主控制模塊，主控制模塊再通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程客戶端中�？刂七^程可以通過主控制模塊直接控制執(zhí)行機構(gòu)工作（如加濕器、暖風機及鼓風機） 等工作，也可以直接在遠程客戶端中更改控制策略。各個節(jié)點溫濕度監(jiān)測模塊由AVR 單片機、NRF24L01 無線數(shù)傳模塊、溫濕度采集模塊及報警模塊和電源模塊構(gòu)成；主控制模塊由AVR 單片機、NRF24L01 無線數(shù)傳模塊、GPRS 模塊、顯示模塊、控制模塊和電源模塊構(gòu)成。為了節(jié)約成本和維護方便，主控制模塊和節(jié)點溫濕度監(jiān)測模塊的控制核心均由AVR 單片機ATmega8A 構(gòu)成。
1。 1 控制核心ATmega8A 單片機
本設(shè)計采用ATmega8A 單片機，其內(nèi)部集成了大容量的存儲器，具有豐富的硬件接口，支持SPI、TWI（兼容I2 C 協(xié)議） 協(xié)議。由于采用TQFP 封裝，其功耗和成本大大降低。其片內(nèi)具有8k 字節(jié)的FLASH 存儲器、512 字節(jié)EEPROM 存儲器和1k 字節(jié)的片內(nèi)SRAM存儲器。由于采用先進的RISC 架構(gòu)，在16MHz 的工作速度下性能高達16MIPS，支持在系統(tǒng)編程ISP，無需專用高壓編程器，方便在電路板上調(diào)試和維護。ATmega8A 的最小系統(tǒng)電路原理圖。
1。 2 溫濕度采集模塊
為了達到一定精度和可靠性，本系統(tǒng)采用獨有的工業(yè)化CMOSens 技術(shù)的SHT1x 家族中的SHT11 作為溫濕度采集的傳感器。SHT11 屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，采用專利的CMOSens技術(shù)，將傳感元件和信號處理電路集成在一個微型PCB 上，通過14 位A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（傳感器默認測量分辨率為溫度14 位，濕度12 位，濕度8 位，處理速度提升更加明顯），可同單片機通信采用標準的I2 C 協(xié)議進行通信，其溫度測量范圍是— 40 ～ + 123。 8℃，默認分辨率是0。 01℃；濕度測量范圍是0 ～ 100%RH（相對濕度），默認分辨率是0。 03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補償，使測量結(jié)果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強等優(yōu)點。SHT11 采集的溫濕度數(shù)據(jù)通過I2 C 協(xié)議和AVR的TWI 接口通信（ 見圖3），將數(shù)據(jù)保存在AVR 單片機的EEPROM 里，保證數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電和異常情況下不丟失；AVR 單片機再將數(shù)據(jù)整理后通過無線數(shù)傳模塊向主控制模塊發(fā)送該節(jié)點的溫濕度情況。
1。 3 無線數(shù)傳模塊
無線通信解決方案有很多種，大型復(fù)雜系統(tǒng)可以使用ZigBee 技術(shù)來實現(xiàn)無線通信，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，路由設(shè)置繁瑣，維護不方便；小型系統(tǒng)可以使用無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)電子設(shè)備間的通信，軟件設(shè)置簡單，調(diào)試方便。本設(shè)計中采用NRF24L01 無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)無線通信。
NRF24L01 的工作頻段是在2。 4GHz 的ISM 頻段工作的，此頻段是開放的，無需申請許可證即可使用。通過改變天線形式，發(fā)射和接收距離可以達到1km 甚至更遠，保證了分散式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常工作，改善了傳統(tǒng)布線的高成本的問題。由于NRF24L01 采用跳頻技術(shù)，抗干擾性能良好，特別是它具有6 個數(shù)據(jù)交互式通道，如果只接收不應(yīng)答，那么這個通道可以擴展到126 個之多，滿足本設(shè)計中提出的多點通信和擴展的要求，即增加節(jié)點模塊只需更改軟件。
NRF24L01 和AVR 單片機通信采用SPI通訊協(xié)議，最高速率可達8Mbps。由于ATmega8A 自帶SPI 通訊端口，方便通信和連接，硬件可靠性比傳統(tǒng)模擬SPI 時序接口要高很多。
1。 4 GPRS 模塊
在主控制模塊中還需要配置GPRS 模塊與遠程客戶端通信，主要放置在主控制模塊的環(huán)境中覆蓋網(wǎng)絡(luò)信號，則GPRS 模塊即可正常收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。本設(shè)計中使用的GPRS 模塊采用Simcom 公司的SIM300 模塊，使用串口通信方式和AVR 單片機連接，方便調(diào)試和維護。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
AVR 單片機嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺有多種，官方也提供一套免費的AVR Studio 集成開發(fā)平臺，支持在線硬件仿真等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基于C 語言的開發(fā)平臺，本設(shè)計中采用CodeVisionAVR 作為系統(tǒng)軟件設(shè)計的開發(fā)平臺。
CodeVision AVR 編譯器可以使用C 編譯器，同時集成IDE 的AVR 開發(fā)平臺，軟件本身在基礎(chǔ)頭文件已經(jīng)設(shè)置好I /O 口位操作指令，類似于51 單片機的sbit 命令，實際使用中非常直觀和方便。
在CodeVision AVR 中，提供了非常豐富的庫函數(shù)，從基礎(chǔ)的實現(xiàn)隨機數(shù)的庫函數(shù)到實際應(yīng)用的SPI接口函數(shù)等，代碼精煉效率高，大大減小了系統(tǒng)開發(fā)周期，為產(chǎn)品早日上市節(jié)省了開發(fā)成本。本設(shè)計中主要使用CodeVision AVR 提供的串行TWI 接口函數(shù)、SPI 接口函數(shù)及USART 串口函數(shù)等實現(xiàn)對各個模塊之間的數(shù)據(jù)輸入輸出控制。另外，被控對象為遲滯性較大的溫度和濕度，所以要求控制函數(shù)中加入PID 控制環(huán)節(jié)對電動機進行控制，調(diào)節(jié)好各個參數(shù)之間關(guān)系，使其實時性和可靠性大大增加。
2。 1 AVR 單片機TWI 串行接口軟件設(shè)計
AVR 單片機TWI 串行接口主要是溫濕度傳感器SHT11 數(shù)據(jù)通信使用的。TWI 是一個帶中斷的硬件接口，引腳輸入有硬件尖峰抑制單元，可以消除小于50ns 的毛刺，可靠性、實時性和執(zhí)行效率都非常高。由于AVR 單片機TWI 兼容I2C 總線，故本設(shè)計中直接對TWI 進行操作。程序如下：#asm。 equ _w1_port = 0x15。 que _w1_bit = 2#endasm/* 單總線連接到ATmega8 的PORTC 口，利用PORTC4、PORTC5 口，并且包含1 wire 函數(shù)* /#include < 1wire。 h >void sht11_init（void）{w1_init（）； / /對sht11 的SCL 和SDA 初始化}2。 2 NRF24L01 無線數(shù)傳模塊的軟件設(shè)計NRF24L01 無線數(shù)傳模塊和AVR 單片機連接采用SPI 接口，對其進行操作需要用到的函數(shù)包括初始化AVR 和NRF24L01 連接的I /O 端口函數(shù)、SPI 寫命令函數(shù)、SPI 讀命令函數(shù)、SPI 寫入數(shù)據(jù)函數(shù)、FIFO 函數(shù)、RX 模式選擇函數(shù)和TX 模式選擇函數(shù)等。
3 應(yīng)用實例
本文設(shè)計的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點使用，選擇150m2的蔬菜大棚設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)作為實驗對象，每25m2 設(shè)置1 個溫濕度監(jiān)測節(jié)點模塊，共設(shè)置6 個。將主控制模塊放置在距離蔬菜大棚200m 的配電室，在距離蔬菜大棚1km 外的辦公區(qū)建立遠程客戶端。實地的測試使用中，調(diào)節(jié)好相應(yīng)的PID 控制參數(shù)，設(shè)置適合蔬菜培育環(huán)境濕度和溫度，設(shè)置溫度23℃，空氣相對濕度92%；將各個節(jié)點模塊放置在距地面高度為2m 左右為宜，經(jīng)過系統(tǒng)的實時監(jiān)控，能夠滿足溫度測試誤差± 0。 5℃、相對濕度測試誤差± 3%的要求。同時，遠程客戶端設(shè)置修改溫濕度值后，現(xiàn)場系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并且無震蕩，可使溫濕度平緩快速地達到設(shè)置值。其對于外界的溫濕度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進行人工噴水后，系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境濕度上升，通過控制策略控制蔬菜大棚整體的濕度平緩而快速地下降到設(shè)置值，保證不產(chǎn)生震蕩。本設(shè)計中系統(tǒng)工作在低功耗模式，靜態(tài)電流低于7mA，動態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)時電流不高于30mA，可以通過市電電源經(jīng)開關(guān)電源變換后進行供電，也可以采用太陽能蓄電池進行供電。如果選擇12V6Ah 蓄電池供電，可以連續(xù)工作700h 以上。
實踐證明：該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、功耗低、維護方便、支持在線調(diào)試和無線節(jié)點擴展，實際測試中無線誤碼率和丟包率很低，節(jié)點模塊和主控制模塊通信良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實用價值和推廣價值。
4 結(jié)語
本文主要介紹了一種采用無線數(shù)傳模塊和GPRS模塊構(gòu)成的遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方案，并從產(chǎn)品成本控制、可靠性、實時性、實用性等幾個方面對系統(tǒng)進行設(shè)計和優(yōu)化，提出了使用AVR 單片機作為控制核心、SHT11 作為溫濕度傳感器、nRF24L01 無線數(shù)傳模塊作為無線通信、SIM300 模塊作為GPRS 模塊與遠程客戶端通信的監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過實際的應(yīng)用和測試，該系統(tǒng)工作可靠，便于維護和升級，適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有很好的發(fā)展前景。
【農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計論文】相關(guān)文章：
遠程教育考試試卷流轉(zhuǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計論文07-04
管理系統(tǒng)設(shè)計論文03-28
南水北調(diào)自動化調(diào)度系統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺集成的應(yīng)用的論文07-03
工業(yè)廠房除塵系統(tǒng)設(shè)計論文07-03