牛萍娟+張浩偉+田海濤

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.050[HT9.]

摘要：設(shè)計(jì)一種植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。采用AT89C52單片機(jī)完成采集終端設(shè)計(jì)，通過NRF24L01無線模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)浇邮斩耍诮邮斩艘壕э@示屏實(shí)時(shí)顯示，并通過RS232總線與PC機(jī)通信，定義通信協(xié)議，采用VC 6.0開發(fā)上位機(jī)界面，通過全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的無線傳輸，隨時(shí)隨地獲取植物工廠環(huán)境參數(shù)。利用該系統(tǒng)對(duì)植物工廠環(huán)境進(jìn)行檢測，用戶可以根據(jù)植物生長的需要，選取適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物工廠的環(huán)境管理。

關(guān)鍵詞：溫室；環(huán)境監(jiān)測；GSM；無線采集

中圖分類號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）13-0181-04[HS）][HT9.SS]

[HJ1.4mm]

收稿日期：2016-03-17

基金項(xiàng)目：[JP2]2014年國家級(jí)中小企業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：14C2621120031）。[JP]

作者簡介：牛萍娟（1973—），女，河北石家莊人，博士，教授，主要從事新型半導(dǎo)體發(fā)光器件、LED驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)等方面的研究。E-mail：niupingjuan@tjpu.edu.cn。

通信作者：張浩偉，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體照明智能控制研究。E-mail：15620528009@163.com。[HJ]

[ZK）]

溫室栽培最早起源于我國，在2 000多年前就能夠利用保護(hù)措施種植多種蔬菜[1]，至20世紀(jì)60年代，我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)始終處于小規(guī)模、低水平、發(fā)展速度緩慢的狀態(tài)[2]。20世紀(jì)70年代初地膜覆蓋技術(shù)引入我國，80年代初期出現(xiàn)了塑料大棚和日光溫室[3]，很多溫室大棚以人力監(jiān)視為主，溫室環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)是否符合植物生長全憑工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)去判斷，造成大部分溫室的生產(chǎn)率、效益低下。

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，植物工廠應(yīng)運(yùn)而生，植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[4]，系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)對(duì)植物栽培的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動(dòng)控制，使設(shè)施內(nèi)植物栽培不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)。董喬雪等開發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)溫度分段精確控制[5]；李莉等設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無線溫室環(huán)境信息采集[6]；王榮輝等開發(fā)了由W78E58B單片機(jī)及WMMOD2B GSM模塊構(gòu)成的溫室生態(tài)健康系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)的短信通知，方便了用戶對(duì)溫室環(huán)境的及時(shí)控制[7]；何世鈞等設(shè)計(jì)了一種智能溫室控制系統(tǒng)，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度、CO2濃度等外界環(huán)境的控制，為作物創(chuàng)造出適宜的生長環(huán)境[8]。

我國植物工廠建設(shè)起步晚，技術(shù)也相對(duì)落后，如何準(zhǔn)確地獲取植物生長所需的光照度、CO2濃度、溫度、濕度等參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，對(duì)提高我國溫室生產(chǎn)水平有著重要的意義[9-11]。傳統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大部分是有線方式，布線繁瑣，不利于布局和維護(hù)。因此，本研究利用單片機(jī)、NRF24L01無線模塊、GSM模塊等設(shè)計(jì)了一種無線的植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本研究的系統(tǒng)主要由采集端、接收端、上位機(jī)模塊3個(gè)部分組成，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

采集端主要由溫濕度傳感器、光照傳感器、無線發(fā)送模塊、電源模塊、GSM模塊等組成，用于采集溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并通過無線模塊發(fā)送出去，當(dāng)溫度、濕度低于或高于設(shè)定值時(shí)就發(fā)出警報(bào)，并通過GSM模塊通知用戶。

接收端主要由無線接收模塊、電源模塊、12864液晶顯示模塊、RS232模塊等組成，用于接收采集端傳來的數(shù)據(jù)并顯示，且實(shí)現(xiàn)與電腦的通信。

上位機(jī)主要由手機(jī)和電腦組成，電腦用于顯示接收端傳來的數(shù)據(jù)，并可以發(fā)出控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的管理；手機(jī)用于接收采集端GSM模塊傳來的環(huán)境參數(shù)和報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程環(huán)境參數(shù)的獲取。

2硬件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用AT89C52為主控芯片，該芯片是一款低電壓、高性能的8位微處理器，具有4 K字節(jié)的flash存儲(chǔ)器，多達(dá)32個(gè)I/O口，可循環(huán)擦除1 000多次，數(shù)據(jù)可保存10年左右。很多工業(yè)級(jí)產(chǎn)品都采用該控制芯片。

系統(tǒng)主要包括溫度采集模塊、光照度采集模塊、無線收發(fā)模塊、繼電器模塊、液晶顯示模塊等，各模塊分別與主控芯片直接或間接地連接在一起，完成系統(tǒng)相應(yīng)的功能。

2.1溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器選用DHT11，該傳感器是一款應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，含有標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)功能，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存儲(chǔ)于動(dòng)態(tài)口令（OTP）內(nèi)存中，使該傳感器具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；DHT11與微處理器采用單總線數(shù)據(jù)格式通信，占用I/O資源少，每次通信時(shí)間約為0.004 s，處理速度較快，1次完整的數(shù)據(jù)輸出為40 bit，其測量范圍廣、精度高，滿足本系統(tǒng)的測量任務(wù)，其與微控制單元（MCU）的連接如圖2所示。[FL）]

2.2光照度采集模塊

光照度采集模塊選用數(shù)字光強(qiáng)檢測模塊GY-30，該芯片內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器，可以省去復(fù)雜的計(jì)算，直接輸出數(shù)字。測量范圍廣，工作電壓3～5 V，可直接與單片機(jī)I/O口連接，滿足本系統(tǒng)的測量任務(wù)。

2.3無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用NRF24L01無線收發(fā)模塊，該模塊工作在2.4 G全球開放ISM頻段，免費(fèi)許可使用；支持6通道數(shù)據(jù)接收和125個(gè)頻點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；工作電壓在1.9～3.6 V之間，可以和一些單片機(jī)直接相連；在空中的傳輸速率高達(dá) 2 Mbit/s，傳輸速率較高，減少了傳輸中的碰撞現(xiàn)象。endprint

2.4GSM模塊

GSM模塊選用SIM900，該模塊功耗低、支持RS232和TTL接口控制，與PC機(jī)、單片機(jī)連接較方便。此模塊通過串口與單片機(jī)連接，實(shí)時(shí)地傳輸采集的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度、光照度低于或高于設(shè)定值時(shí)，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

2.5液晶顯示模塊

液晶顯示是控制器人機(jī)交互的重要部件，用于實(shí)時(shí)顯示采集的溫度、濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)，當(dāng)無線連接不穩(wěn)定時(shí)會(huì)提示故障信息。本系統(tǒng)選用12864液晶屏作為顯示窗口，該顯示器顯示分辨率為128×64，具有藍(lán)光背光。顯示器帶有中文字庫，能夠顯示數(shù)字、字母、漢字等，具有4行/8行并行，2線或3線串行多種接口方式。本系統(tǒng)采用8位并行接入微處理器，并串聯(lián)1個(gè)電位器用于調(diào)節(jié)顯示器的亮度。

2.6繼電器模塊

本系統(tǒng)采用12 V、10 A的超大功率繼電器，繼電器模塊用于控制加濕器、加熱器、風(fēng)扇等電器設(shè)備，單片機(jī)通過控制繼電器來實(shí)現(xiàn)各種電器設(shè)備的開關(guān)。

2.7按鍵電路

按鍵電路采用4×4的矩陣鍵盤電路，是用戶與采集端控制器交互的直接工具，按鍵電路主要用于設(shè)置用戶電話號(hào)碼和不同植物的溫濕度閾值。其中，1個(gè)系統(tǒng)復(fù)位按鍵、1個(gè)參數(shù)確定按鍵、10個(gè)數(shù)字鍵用于設(shè)定用戶信息，另外4個(gè)按鍵用于設(shè)定溫度、濕度閾值。

2.8硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用Altium Designer 09軟件，部分控制電路原理如圖3所示。硬件電路設(shè)計(jì)包括采集端電路設(shè)計(jì)和接收端電路設(shè)計(jì)，兩部分均采用單片機(jī)做主控芯片，其中單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為11.0 592 MHz。在采集端電路設(shè)計(jì)時(shí)，溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P20接口電氣連接，光照傳感器的時(shí)鐘引腳和數(shù)據(jù)引腳分別和單片機(jī)的P10、P11口連接，用于采集環(huán)境參數(shù)。無線發(fā)射模塊NRF24L01各引腳分別與單片機(jī)的P12～P17接口連接，控制環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)發(fā)送。GSM模塊的引腳與單片機(jī)的TX和RX引腳連接，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和移動(dòng)端接收采集數(shù)據(jù)的功能。在接收端電路設(shè)計(jì)中，無線接收模塊NRF24L01各個(gè)引腳與單片機(jī)的連接同采集端一樣，液晶顯示器12864控制端口RS、RW、EN分別和單片機(jī)的IO口P05、P06、P07連接，數(shù)據(jù)端口和單片機(jī)的P20～P27端口連接，用于接收發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)并在液晶顯示屏顯示。單片機(jī)的P10～P14分別于繼電器控制接口相連，用于控制各個(gè)電器設(shè)備。

3軟件部分設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重，包括采集端軟件設(shè)計(jì)、接收端軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

3.1采集端軟件設(shè)計(jì)

采集端軟件設(shè)計(jì)主要用于控制溫濕度傳感器、光照傳感器等采集環(huán)境參數(shù)，通過NRF24L01無線模塊傳輸采集數(shù)據(jù)，通過GSM模塊傳輸采集數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)警信息。編程采用模塊化的思想，將各個(gè)模塊分開編程，最后整合到一起，這樣便于調(diào)試和調(diào)用。采集端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

采集端系統(tǒng)通電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過傳感器獲取環(huán)境因子，在主函數(shù)中對(duì)無線模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定NRF24L01為發(fā)送模式，并調(diào)用溫濕度獲取程序和光照度獲取程序，獲得環(huán)境參數(shù)，將發(fā)送的數(shù)據(jù)放置到寄存器內(nèi)，等待發(fā)送，當(dāng)發(fā)送命令到來時(shí)，將寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；設(shè)定GSM模式， 使其能夠打電話或發(fā)短信， 將采集的環(huán)境參數(shù)分別放置到指定的數(shù)組內(nèi)，判斷環(huán)境參數(shù)的數(shù)值，若超過或低于設(shè)定的閾值，就發(fā)出警報(bào)并打電話通知用戶，且以短信的形式發(fā)送當(dāng)前溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

發(fā)送端程序的難點(diǎn)主要在控制NRF24L01發(fā)送模塊，設(shè)置NRF24L01為發(fā)送數(shù)據(jù)步驟如下：（1）確定采集端身份地址，寫身份地址到寄存器TX_ADD；

（2）為實(shí)現(xiàn)應(yīng)答信號(hào)接收，寫通道0接收地址到寄存器RX_ADDR_P0；

（3）設(shè)置模塊為自動(dòng)應(yīng)答允許；

（4）設(shè)置模塊0通道允許接收；

（5）配置系統(tǒng)自動(dòng)重發(fā)次數(shù)；

（6）選擇模塊通信頻道；

（7）配置模塊發(fā)射功率、數(shù)據(jù)傳輸速率等發(fā)射參數(shù)；

（8）設(shè)置通道0有效的數(shù)據(jù)寬度，即要傳送數(shù)據(jù)包需要的長度；

（9）配置寄存器CONFIG到發(fā)送模塊；

（10）將想要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送緩沖寄存器內(nèi)；

（11）將CE位置“1”，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

3.2接收端軟件設(shè)計(jì)

接收端軟件主要用于控制單片機(jī)接收環(huán)境參數(shù)，通過液晶屏顯示環(huán)境參數(shù)，并將接收的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸給PC機(jī)，接收PC機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)。當(dāng)接收到PC機(jī)傳來的打開電機(jī)信號(hào)時(shí)，通過I/O口控制繼電器打開電機(jī)進(jìn)行通風(fēng)；當(dāng)PC機(jī)發(fā)送加水命令時(shí)，通過單片機(jī)控制器控制水泵加水；當(dāng)PC機(jī)發(fā)送加濕命令時(shí)，通過控制繼電器打開加濕器進(jìn)行加濕。接收端軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。

接收端系統(tǒng)通電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后初始化無線模塊NRF24L01，設(shè)定該無線模塊為接收模式，接收發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)。初始化LCD液晶顯示器，控制液晶屏顯示溫室內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，初始化串口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)雙向通信。[JP]

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

植物工廠關(guān)鍵技術(shù)在于環(huán)境因子的實(shí)時(shí)采集和控制，設(shè)計(jì)一款友好的上位機(jī)界面，用于實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)，基于控制需要，上位機(jī)界面包括控制區(qū)域和數(shù)據(jù)顯示區(qū)域2個(gè)部分?？刂茀^(qū)用于向PC機(jī)發(fā)送控制命令，數(shù)據(jù)顯示區(qū)用于顯示環(huán)境因子。上位機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

端口參數(shù)設(shè)置采用VC提供的MSComm（Microsoft communication control）控件，利用該控件可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)串口通信。本系統(tǒng)選用波特率9 600、8位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)、1位停止位，無流控制[12-13]。由于采集到的數(shù)據(jù)是一連串的字符串發(fā)送的，為了使數(shù)據(jù)分開，在采集端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)尾添加特定的字符，上位機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)使用分割函數(shù)通過區(qū)分特定的字符把數(shù)據(jù)分開放置到指定的編輯框內(nèi)。endprint

選用RS232與PC機(jī)進(jìn)行通信，RS232通信距離大約 20 m，誤碼率低。采用基于對(duì)話框的方式，在對(duì)話框中添加MSComm控件，然后添加靜態(tài)文本框、編輯框、按鈕等控件，調(diào)整各個(gè)控件，使界面美觀，為各個(gè)控件添加處理程序，使其能夠完成相應(yīng)的功能。

4系統(tǒng)測試

4.1無線收發(fā)模塊可靠性測試

為檢測無線收發(fā)模塊的可靠性[14-15]，在天津工業(yè)大學(xué)植物照明實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試試驗(yàn)，將采集端設(shè)備節(jié)點(diǎn)放置在植物照明實(shí)驗(yàn)室內(nèi)距離地面1.5 m處，將接收端設(shè)備節(jié)點(diǎn)放置在隔壁的研究室內(nèi)，兩者相距約10 m，每隔1 s采集端發(fā)送1次采集數(shù)據(jù)，記錄1 min內(nèi)接收端接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。結(jié)果顯示，1 min內(nèi)收到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為58，丟包率較低。

4.2系統(tǒng)功能測試

在采集端通過按鍵電路設(shè)定好用戶手機(jī)號(hào)碼，接收端接收采集端數(shù)據(jù)并在液晶屏上顯示，通過手機(jī)接收采集的溫度、濕度、光照度數(shù)據(jù)；當(dāng)溫濕度高于或低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)送報(bào)警信息給用戶。在上位機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)看到的植物環(huán)境溫度、濕度、光照度參數(shù)，在控制區(qū)域內(nèi)通過打開升溫按鈕控制單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器打開加熱器開關(guān)，升高室內(nèi)溫度；點(diǎn)擊打開降溫按鈕，打開風(fēng)扇進(jìn)行降溫；點(diǎn)擊加濕按鈕，打開加濕器對(duì)空氣進(jìn)行加濕，打開水泵按鈕就能夠?qū)χ参镞M(jìn)行加水。

上位機(jī)的主界面如圖7。

[JP2]本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)，且系統(tǒng)的可控性好。在VC軟件中，通過CFile函數(shù)，每隔一段時(shí)間將編輯框內(nèi)的數(shù)據(jù)保存到PC機(jī)中的dat.txt文件中，然后通過Matlab軟件提取dat.txt中的數(shù)據(jù)并畫成實(shí)時(shí)曲線（圖8），方便記錄觀察。[JP][FL）]

[FK（W19][TPNPJ8.tif；S+3mm][FK）]

[FL（2K2]5結(jié)束語

本研究利用單片機(jī)、NRF24L01無線模塊、GSM模塊等設(shè)計(jì)了一款植物工廠環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。為測試該系統(tǒng)的可靠性，對(duì)環(huán)境進(jìn)行24 h監(jiān)測，結(jié)果表明，該系統(tǒng)無線接收模塊可以較好地收、發(fā)數(shù)據(jù)，丟包率低、穩(wěn)定性高，具有一定的使用價(jià)值，且為溫室的自動(dòng)化控制技術(shù)提供了理論依據(jù)。

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