農業生產遠端溫溼度監控系統的研究設計論文
0 引言
傳統的農業生產環境一般都是分散且面積比較大的，如傳統種植對環境的溫溼度要求僅僅源於自然界四季溫溼度變化。這種傳統的種植方式侷限於時令蔬菜，而對於反季節蔬菜的種植，就需要能控制溫溼度變化的蔬菜大棚、溫室等，特別是對溫溼度要求非常精確的種苗培育室。傳統的溫溼度控制採用人工控制方式，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，在加熱機構出現故障短時間內溫溼度發生劇烈變化時，人工無法及時做出反應，可能會造成嚴重的後果。為此，設計了一種採用多點溫溼度採集、使用無線數傳模組對溫溼度進行實時監控及透過GPRS 模組將資料傳送到遠端客戶端便於統計和集中控制的系統。由於採用無線數傳模組，可以隨時擴充套件溫溼度採集節點，僅需要透過更改軟體控制數量即可，並透過軟體程式對環境溫溼度進行實時控制，實現了無人值守及遠端監控。
1 系統的硬體設計
本系統主要透過對各個節點溫溼度進行監測，然後透過無線數傳方式將資料傳到主控制模組，主控制模組再透過GPRS 模組將資料傳送到遠端客戶端中。控制過程可以透過主控制模組直接控制執行機構工作（如加溼器、暖風機及鼓風機） 等工作，也可以直接在遠端客戶端中更改控制策略。各個節點溫溼度監測模組由AVR 微控制器、NRF24L01 無線數傳模組、溫溼度採集模組及報警模組和電源模組構成；主控制模組由AVR 微控制器、NRF24L01 無線數傳模組、GPRS 模組、顯示模組、控制模組和電源模組構成。為了節約成本和維護方便，主控制模組和節點溫溼度監測模組的控制核心均由AVR 微控制器ATmega8A 構成。
1。 1 控制核心ATmega8A 微控制器
本設計採用ATmega8A 微控制器，其內部集成了大容量的儲存器，具有豐富的硬體介面，支援SPI、TWI（相容I2 C 協議） 協議。由於採用TQFP 封裝，其功耗和成本大大降低。其片內具有8k 位元組的FLASH 儲存器、512 位元組EEPROM 儲存器和1k 位元組的片內SRAM儲存器。由於採用先進的.RISC 架構，在16MHz 的工作速度下效能高達16MIPS，支援在系統程式設計ISP，無需專用高壓程式設計器，方便在電路板上除錯和維護。ATmega8A 的最小系統電路原理圖。
1。 2 溫溼度採集模組
為了達到一定精度和可靠性，本系統採用獨有的工業化CMOSens 技術的SHT1x 家族中的SHT11 作為溫溼度採集的感測器。SHT11 屬於Sensirion 溫溼度感測器家族中的貼片封裝系列，採用專利的CMOSens技術，將感測元件和訊號處理電路整合在一個微型PCB 上，透過14 位A/D 轉換器將模擬量轉換為數字量（感測器預設測量解析度為溫度14 位，溼度12 位，溼度8 位，處理速度提升更加明顯），可同微控制器通訊採用標準的I2 C 協議進行通訊，其溫度測量範圍是— 40 ～ + 123。 8℃，預設解析度是0。 01℃；溼度測量範圍是0 ～ 100%RH（相對溼度），預設解析度是0。 03%RH。微處理器包含了非線性和溫度補償，使測量結果更加精確、具有處理速度快及抗干擾性能強等優點。SHT11 採集的溫溼度資料透過I2 C 協議和AVR的TWI 介面通訊（ 見圖3），將資料儲存在AVR 微控制器的EEPROM 裡，保證資料在系統掉電和異常情況下不丟失；AVR 微控制器再將資料整理後透過無線數傳模組向主控制模組傳送該節點的溫溼度情況。
1。 3 無線數傳模組
無線通訊解決方案有很多種，大型複雜系統可以使用ZigBee 技術來實現無線通訊，但是結構複雜，路由設定繁瑣，維護不方便；小型系統可以使用無線數傳模組實現電子裝置間的通訊，軟體設定簡單，除錯方便。本設計中採用NRF24L01 無線數傳模組實現無線通訊。
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。透過改變天線形式，發射和接收距離可以達到1km 甚至更遠，保證了分散式的農業生產正常工作，改善了傳統佈線的高成本的問題。由於NRF24L01 採用跳頻技術，抗干擾性能良好，特別是它具有6 個數據互動式通道，如果只接收不應答，那麼這個通道可以擴充套件到126 個之多，滿足本設計中提出的多點通訊和擴充套件的要求，即增加節點模組只需更改軟體。
NRF24L01 和AVR 微控制器通訊採用SPI通訊協議，最高速率可達8Mbps。由於ATmega8A 自帶SPI 通訊埠，方便通訊和連線，硬體可靠性比傳統模擬SPI 時序介面要高很多。
1。 4 GPRS 模組
在主控制模組中還需要配置GPRS 模組與遠端客戶端通訊，主要放置在主控制模組的環境中覆蓋網路訊號，則GPRS 模組即可正常收發資料，實現遠端監控。本設計中使用的GPRS 模組採用Simcom 公司的SIM300 模組，使用串列埠通訊方式和AVR 微控制器連線，方便除錯和維護。
2 系統軟體設計
AVR 微控制器嵌入式系統軟體開發平臺有多種，官方也提供一套免費的AVR Studio 整合開發平臺，支援線上硬體模擬等功能。此外，一些第三方公司也推出了各自的基於C 語言的開發平臺，本設計中採用CodeVisionAVR 作為系統軟體設計的開發平臺。
CodeVision AVR 編譯器可以使用C 編譯器，同時整合IDE 的AVR 開發平臺，軟體本身在基礎標頭檔案已經設定好I /O 口位操作指令，類似於51 微控制器的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式，從基礎的實現隨機數的庫函式到實際應用的SPI介面函式等，程式碼精煉效率高，大大減小了系統開發週期，為產品早日上市節省了開發成本。本設計中主要使用CodeVision AVR 提供的序列TWI 介面函式、SPI 介面函式及USART 串列埠函式等實現對各個模組之間的資料輸入輸出控制。另外，被控物件為遲滯性較大的溫度和溼度，所以要求控制函式中加入PID 控制環節對電動機進行控制，調節好各個引數之間關係，使其實時性和可靠性大大增加。
2。 1 AVR 微控制器TWI 序列介面軟體設計
AVR 微控制器TWI 序列介面主要是溫溼度感測器SHT11 資料通訊使用的。TWI 是一個帶中斷的硬體介面，引腳輸入有硬體尖峰抑制單元，可以消除小於50ns 的毛刺，可靠性、實時性和執行效率都非常高。由於AVR 微控制器TWI 相容I2C 匯流排，故本設計中直接對TWI 進行操作。程式如下：#asm。 equ _w1_port = 0x15。 que _w1_bit = 2#endasm/* 單匯流排連線到ATmega8 的PORTC 口，利用PORTC4、PORTC5 口，並且包含1 wire 函式* /#include < 1wire。 h >void sht11_init（void）{w1_init（）； / /對sht11 的SCL 和SDA 初始化}2。 2 NRF24L01 無線數傳模組的軟體設計NRF24L01 無線數傳模組和AVR 微控制器連線採用SPI 介面，對其進行操作需要用到的函式包括初始化AVR 和NRF24L01 連線的I /O 埠函式、SPI 寫命令函式、SPI 讀命令函式、SPI 寫入資料函式、FIFO 函式、RX 模式選擇函式和TX 模式選擇函式等。
3 應用例項
本文設計的農業生產遠端溫溼度監控系統主要在山東省壽光市蔬菜種植基地作為試點使用，選擇150m2的蔬菜大棚設定監控系統作為實驗物件，每25m2 設定1 個溫溼度監測節點模組，共設定6 個。將主控制模組放置在距離蔬菜大棚200m 的配電室，在距離蔬菜大棚1km 外的辦公區建立遠端客戶端。實地的測試使用中，調節好相應的PID 控制引數，設定適合蔬菜培育環境溼度和溫度，設定溫度23℃，空氣相對溼度92%；將各個節點模組放置在距地面高度為2m 左右為宜，經過系統的實時監控，能夠滿足溫度測試誤差± 0。 5℃、相對溼度測試誤差± 3%的要求。同時，遠端客戶端設定修改溫溼度值後，現場系統能夠迅速響應並且無震盪，可使溫溼度平緩快速地達到設定值。其對於外界的溫溼度干擾也有很高的靈敏度，如對蔬菜進行人工噴水後，系統監測到環境溼度上升，透過控制策略控制蔬菜大棚整體的溼度平緩而快速地下降到設定值，保證不產生震盪。本設計中系統工作在低功耗模式，靜態電流低於7mA，動態傳送資料時電流不高於30mA，可以透過市電電源經開關電源變換後進行供電，也可以採用太陽能蓄電池進行供電。如果選擇12V6Ah 蓄電池供電，可以連續工作700h 以上。
實踐證明：該系統工作穩定可靠、功耗低、維護方便、支援線上除錯和無線節點擴充套件，實際測試中無線誤位元速率和丟包率很低，節點模組和主控制模組通訊良好不受干擾，測試精度有保證，具有非常高的實用價值和推廣價值。
4 結語
本文主要介紹了一種採用無線數傳模組和GPRS模組構成的遠端溫溼度監控系統用於農業生產的方案，並從產品成本控制、可靠性、實時性、實用性等幾個方面對系統進行設計和最佳化，提出了使用AVR 微控制器作為控制核心、SHT11 作為溫溼度感測器、nRF24L01 無線數傳模組作為無線通訊、SIM300 模組作為GPRS 模組與遠端客戶端通訊的監控系統。經過實際的應用和測試，該系統工作可靠，便於維護和升級，適應現代化農業生產，具有很好的發展前景。
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