陈炜明，李水峰，林颖意，魏 梁，邝文腾

（1.广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006；2.广东工业大学 实验教学部，广东 广州510006）

基于无线通信的温室大棚数据采集系统设计

陈炜明1，李水峰2，林颖意1，魏 梁1，邝文腾1

（1.广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006；2.广东工业大学 实验教学部，广东 广州510006）

为了监测温室大棚里的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度等参数，设计了一套基于无线通信的温室大棚数据采集系统；该系统集微控制器技术、无线通信技术和智能传感器技术于一身，以单片机作为主控模块，多个传感器采集温室大棚里的环境参数，并采用无线射频模块，对温室环境进行无线实时监测，以便农业人员调节温室大棚的环境；介绍了系统的总体设计方案，详细地描述了系统的硬件电路设计、传感器节点设计以及软件的实现，经过实际运行测试，该系统具有反应迅速、操作简单、自动化程度较高、成本低，方便扩展和集中式监控的特点，具有十分广泛应用的前景。

温室大棚；无线通信；数据采集；单片机

目前，我国温室大棚在农作物种植应用上存在如下问题：大棚内的温湿度等参数的监测大部分依靠人工读取，自动化程度低；另外，一套温室大棚智能监控系统设备的价格昂贵、成本太高，不便于推广应用[1-2]。为了解决上述问题，提出了一种基于无线通信的温室大棚数据采集系统设计。经实验表明，本设计实现了准确地采集温室大棚中的温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度等数据，根据采集的数据，采用无线通信方式实时传输数据并在液晶屏上显示。本系统可满足农业上对大棚监控系统的要求，并具有布线简单、性价比高，方便扩展和集中式监控的特点。

1 系统整体框架设计

温室大棚因为其造价低廉并且设施简单，执行机构仅包含4个装置（加热装置，加湿装置，通风装置，遮阳装置），传感器包括温湿度传感器、二氧化碳传感器以及光照强度传感器，该系统硬件模块主要包括主控模块、传感器模块、无线收发模块和执行模块。其中系统的控制方案框图如图1所示。

图1 温室大棚环境控制系统框架图

如图1所示，本系统为基于无线通信的温室大棚数据采集系统，大棚的微控制器采用51单片机系列中的STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器[3-5]。一个单片机负责处理各类传感器采集到的温室环境数据，通过无线模块将环境数据发送到另外一个单片机上，另外一个单片机收集到数据后，会把数据在LCD12864液晶屏上显示出来，并在系统异常的时候启动执行系统。

2 硬件实现

整个系统硬件设计主要包括单片机最小系统设计、传感器节点硬件设计、无线测控网络和系统执行模块四部分。

2.1 传感器节点硬件设计

传感器节点由各种数据采集模块、STC89C52数据传输模块、电源模块等功能模块组成。数据采集模块负责采集监测区域的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等信息并完成数据转换；STC89C52数据传输模块负责与路由节点进行无线数据交换、传输采集数据、接收控制命令。电源模块采用5 V移动电源提供。LED指示灯表示系统正常工作状态。

2.1.1 温湿度测量电路

为了方便测量温室大棚内的温湿度，选择采用温湿度传感器DHT11。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。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。该传感器具有性能卓越、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点[6-7]。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。其数据口连接单片机的P3.7口，温湿度测量电路如图2所示。

2.1.2 光照强度测量电路

本系统采用BH1750FVI模块来测量温室大棚内的光照强度。BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。利用其高分辨率可以探测较大范围的光强度变化，量程达到了1-v655351x，可对广泛的亮度进行llx的高精度测定；可直接数字输出，省略复杂的计算，省略标定，并且具有支持I2C接口，输入范围广和光源依赖性光照强度[8-9]。其测量电路如图3所示。

2.1.3 二氧化碳浓度测量电路

对于温室大棚内的二氧化碳浓度，选择采用MG811传感器模块来测量。MG811传感器对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小。它具有良好的稳定性和线性度[10-11]。传感器采集到的模拟量输出口，接单片机的IO口，然后通过A/D转换芯片把模拟量转换成数字量。本系统采用了ADC0809逐次逼近式A/D转换器对模拟信号进行处理，最后送给单片机。经单片机处理后，送给12864液晶屏实时显示，并对棚内风扇等进行有效控制。ADC0809是美国国家半导体公司生产的逐次逼近模数转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成[12]。本系统采用该芯片完成二氧化碳浓度电信号数据的处理。图4给出了其电路图。

2.2 无线测控网络

图2 温湿度测量电路

图3 光照强度测量电路

本系统采用美国TI公司生产的CC1101射频模块来实现数据的无线传输。CC1101是一款低于1GHz、设计用在极低功耗RF应用。其主要针对工业、科研和医疗 （ISM）以及短距离无线通信设备（SRD）。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示（RSSI）、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示以及无线唤醒（WOR）的广泛硬件支持。CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1100兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。其工作原理：无线模块CC1101有五种工作状态，分别为空闲状态、休眠状态、接收状态、发送状态和晶振关闭状态。芯片工作状态的切换可以通过设置内部寄存器或外部引脚来进行操作。无线模块CC1101上电后首先会进入休眠状态，模块暂停工作，但芯片内部寄存器的值不会丢失。在无线模块处于休眠状态时，可以将引脚CSC拉低，使模块进入空闲状态。当无线模块进入空闲状态后，可以对芯片的寄存器进行读写和工作模式的设置。当内部寄存器置位STX位时，晶振启动，无线模块CC1101进入发送状态；若置位SRX位时，则无线模块CC1101进入接收状态。需要发送数据时，STC89C52通过SPI接口以较低速率将数据写入无线模块TX FIFO，写入完成后启动射频电路将数据发送出去，并清空寄存器TX FIFO。无线模块接收到数据后，停止无线接收并将接收到的数据通过SPI接口发送至单片机STC89C52。由于无线模块可以进入休眠模式，所以降低了功耗，并且无线模块CC1101可以自动生成CRC校验码和前导码，降低了系统设计的复杂度[13-15]。

图4 二氧化碳浓度测量电路

3 软件设计

系统软件设计包括：初始化模块设计，温湿度检测模块，光照强度检测模块，二氧化碳浓度检测模块，射频收发模块，LCD12864显示模块，执行模块。本系统通过各类传感器的数据采集，这些数据经单片机处理后，通过射频模块从一个单片机发送到另一个单片机上，并在LCD12864液晶屏上显示收集的数据。如果采集的参数结果超出设定的标准范围，执行系统就会执行相应的操作，例如对应的IO口会变成低电平（假如正常时候为高电平），接着相应管脚的LED灯会点亮，表示对应的参数出现异常。系统软件设计的流程图如图5和图6所示。

图5 发送程序框图

数据发送及接收正确与否在于射频收发芯片CC1101驱动程序。CC1101提供了一个4线SPI接口（SI，SO，SCLK和CSn）与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据两方面的任务。这些接口可以同时用作写和读缓存数据。SPI接口上所有的地址和数据转换被最先在重要的位上处理。SPI接口上的所有处理都包含一个读/写位，一个突发访问位和一个6位地址的头字节一起作用。地址和数据转换时，CSn引脚（低电平有效）必须保持低电平。如果在转换过程中CSn变为高电平，则转换取消。当CSn变低，在开始转换头字节之前，MCU必须一直等待，直到SO引脚变低。SO变低表明电压调制器已达到稳定，晶体正在工作中。除非器件处在SLEEP或XOFF状态，SO引脚在CSn变低之后总会立即变低[8]。

图6 接收程序框图

4 结束语

文中设计一种基于无线通信的温室大棚数据采集系统，为改善我国温室环境智能监控系统的应用现状而提出的，融合了传感器、智能操控、单片机以及无线通信技术来实现温室环境智能监控系统的研究和开发。系统采用两个个单片机以及相应的外围扩展器件构成数据发送和接收部分，实现了对温湿度、光照强度和二氧化碳浓度数据的实时无线采集和显示，并可以自动控制温室大棚内加热器、日光灯等设备控制环境指标保持预设值之内。系统整体实现了温室大棚单元内温湿度等数据的显示、处理和监控等功能。本系统具有反应迅速，操作简单，自动化程度较高，性价比高，方便扩展和集中式监控等特点，可满足农业上对温室大棚监控系统的要求。因此，基于无线通信的温室大棚数据采集系统在未来的市场有着非常好的发展前景。

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Design of greenhouse data acquisition system based on wireless communication

CHEN Wei-ming1，LI Shui-feng2，LIN Ying-yi1，WEI Liang1，KUANG Wen-teng1
（1.School of Materials and Energy， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006，China；2.Experimental Teaching Center， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）

In order to monitor the temperature and humidity，carbon dioxide concentration and light intensity and other parameters in the greenhouse，a greenhouse data acquisition system based on wireless communication is designed.The system integrates the micro controller technology， wireless communication technology and intelligent sensor technology， microcontroller is the main control module，use multiple sensors to collect environmental parameters in the Greenhouse，and use the radio frequency module to monitor the greenhouse environment for wireless real-time，so as to adjust agricultural personnel in the greenhouse environment.It introduces a overall design scheme of the system，the hardware circuit design of the system，the design of the sensor node and the realization of the software are described in detail.After the actual operation test，the system contains the features about rapid response， simple operation， high degree of automation，low cost，convenient extension and centralized monitoring，there is a extremely widespread application prospect.

greenhouse； wireless communication；data acquisition； MCU

TN919.72

A

1674－6236（2017）12-0072-05

2016-05-04稿件编号：201605036

广东工业大学2015年度"本科教学工程"项目（ZYGX037）；广东工业大学创新创业项目（xj201411845155）；广东工业大学创新创业项目（yj201511845197）

陈炜明（1993—），男，广东肇庆人。研究方向：微电子科学与技术。