第２５卷 第ｌ２期 Ｖ０１．２５ Ｎｏ．１２ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１７年６月 Ｊｕｎ．２０１７ 基于无线通信的温室大棚数据采集系统设计 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） 摘要：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。 关键词：温室大棚；无线通信；数据采集；单片机 中图分类号：ＴＮ９１９．７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１７）１２—００７２—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＣＨＥＮ Ｗｅｉ—ｍｉｎｇ ，ＬＩ Ｓｈｕｉ—ｆｅｎｇ２，ＬＩＮ Ｙｉｎｇ－ｙｉ ，ＷＥＩ Ｌｉａｎｇ ，ＫＵＡＮＧ Ｗｅｎ—ｔｅｎｇ （１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ Ｔｅａｃｈｉａｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：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． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＭＣＵ 目前，我国温室大棚在农作物种植应用上存在 实现了准确地采集温室大棚中的温度、湿度、光照强 如下问题：大棚内的温湿度等参数的监测大部分依靠 度和二氧化碳浓度等数据，根据采集的数据，采用无 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 的温室大棚数据采集系统设计。经实验表明，本设计 收稿日期：２０１６—０５—０４ 稿件编号：２０１６０５０３６ 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 用【】－２］。为了解决上述问题，提出了一种基于无线通信 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 基金项目：广东工业大学２０１５年度”本科教学工程”项目（ＺＹＧＸ０３７）； 东工业大学创新创业项目（￣２０１４１１８４５１５５）； 广东工业大学创新创业项目（ｙｊ２０ｌ５ｌｌ８４５１９７） 作者简介：陈炜明（１９９３一），男，广东肇庆人。研究方向：微电子科学与技术。 －７２－ 陈炜明，等 基于无线通信的温室大棚数据采集系统设计 机构仅包含４个装置（加热装置，加湿装置，通风装 传感器以及光照强度传感器，该系统硬件模块主要 一个高性能８位单片机相连接。该传感器具有性能卓 置，遮阳装置），传感器包括温湿度传感器、二氧化碳 越、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点 。 包括主控模块、传感器模块、无线收发模块和执行模 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 块。其中系统的控制方案框图如图１所示。 准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。 一 每个ＤＨＴ１１传感器都在极为精确的湿度校验室中 蓁 ＣＣＩ１０１无线模块发送数据 超小的体积、极低的功耗，使其成为在苛刻应用场合 南 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．Ｉ．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［８－９１。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ｌｌ２Ｊ。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 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）。ＣＣ１ １０１可提供对数据包处理、数据缓冲、突 －７３－ 《电子设计工程｝２０１７年第１２期 ＋５Ｖ ＋５Ｖ ，５ｋ 删 ＋５Ｖ 丰Ｔ ．－ｌ－ １ ｃ。０ ４ １ ｕ Ｆ‘ Ｆ ５９２ＭＨ 图２温湿度测量电路 ＋５Ｖ ＢＨ１７５０ＦＶ 。…｛ ｕ Ｆ ９２￣Ⅱ｛ 图３光照强度测量电路 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 －７４－ 陈炜明，等 基于无线通信的温室大棚数据采集系统设计 ＣＬＫ ＳＴＡＲＴ ＩＮ０ ＶＣＣ ＥＯＣ ＯＥ Ｄ０ Ｄ１ Ｄ２ ＩＮｌ ＩＮ２ ＩＮ３ ＩＮ４ ＩＮ５ ＩＮ６ ＩＮ７ ＡＤＤ Ａ ＡＤＤ Ｂ Ｄ３ Ｄ４ Ｄ５ Ｄ６ Ｄ７ ＧＮＤ Ｔ上工一 图４二氧化碳浓度测量电路 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 ３软件设计 系统软件设计包括：初始化模块设计，温湿度检 ＣＣ１１０１有五种工作状态，分别为空闲状态、休眠状 测模块。光照强度检测模块。二氧化碳浓度检测模 ＬＣＤ１２８６４显示模块，执行模块。 态、接收状态、发送状态和晶振关闭状态。芯片工作 块，射频收发模块，状态的切换可以通过设置内部寄存器或外部引脚来 本系统通过各类传感器的数据采集．这些数据经单 进行操作。无线模块ＣＣ１１０１上电后首先会进入休 片机处理后，通过射频模块从一个单片机发送到另 眠状态，模块暂停工作，但芯片内部寄存器的值不会 一个单片机上，并在ＬＣＤ１２８６４液晶屏上显示收集 丢失。在无线模块处于休眠状态时，可以将引脚ＣＳＣ 的数据。如果采集的参数结果超出设定的标准范围．０口会 拉低，使模块进入空闲状态。当无线模块进入空闲状 执行系统就会执行相应的操作，例如对应的１态后．可以对芯片的寄存器进行读写和工作模式的 变成低电平（假如正常时候为高电平），接着相应管 设置。当内部寄存器置位ＳＴＸ位时，晶振启动，无线 脚的ＬＥＤ灯会点亮，表示对应的参数出现异常。系 模块ＣＣ１１０１进入发送状态：若置位ＳＲＸ位时，则无 统软件设计的流程图如图５和图６所示。线模块ＣＣ１１０１进人接收状态。需要发送数据时， ＳＴＣ８９Ｃ５２通过ＳＰＩ接口以较低速率将数据写人无 线模块ＴＸ ＦＩＦＯ，写人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 图５发送程序框图 了系统设计的复杂度 。 数据发送及接收正确与否在于射频收发芯片 －７５－ 《电子设计工程）２０１７年第１２期 囱 Ｉ兰兰垫竺里ｌ 甄赢 耀兰 一 是ｌ 匦豳ｌ缓冲区取出数据Ｊ 化＼ 至碳浓度、垩光 照蕊 强度— — ．匝！： 儿兰 执行模块采取相应的措施 图６接收程序框图 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Ｓ０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｛８１ 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 －７６－ 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。 参考文献： ［１１明鑫．基于ｚＩＧＢＥＥ技术的温室大棚环境参数监控 系统设计［Ｄ１．广西大学，２０１３． ［２］齐莉．物联网农业智能测控系统的特点、优势及 其在温室大棚的应用［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９ （３５５３０）：１８９８９—１８９９２． 『３１张蓉蓉．基于ＳＴＣ８９Ｃ５２的智能温度控制系统硬 件设计ｆＪ］．机电信息，２０１４（４０５１５）：１３０—１３１． 『４１周鹏．基于ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机的温度检测系统设 计［Ｊ】．现代电子技术，２０１２，３５（３８１２２）：１０—１３． ［５】龙建明，熊刚，张争刚，等．基于ＳＴＣ８９Ｃ５２的温室 大棚温湿度控制器ｆＪ１．计算机与现代化，２０１５ （２３５０３）：８８—９０，９５． ［６１韩丹翱，王菲．ＤＨＴｌ１数字式温湿度传感器的应 用性研究［Ｊ］．电子设计工程，２０１３，２１（２６７１３）： ８３－８５，８８． 『７１沈建明．基于ＺｉｇＢｅｅ的温室大棚的温湿度检测系 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