朱鵬　龔宗輝　李盼盼　桂姝　陳庭宇

【摘 要】溫度和濕度是保證農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)中兩個重要因素，因此監(jiān)測和控制溫濕度對于溫室大棚農(nóng)作物來說至關(guān)重要。相較于以往的測溫測濕系統(tǒng)都是通過有線方式傳送數(shù)據(jù)，線路復雜布局困難、電線易老化等問題影響了其可靠性。而溫度、濕度傳感器這樣的設(shè)備并不需要很大的功率和傳輸速率。所以ZigBee技術(shù)以其低功耗、支持大量節(jié)點、數(shù)據(jù)無線傳輸且安全可靠的特點正好彌補了傳統(tǒng)測溫濕度系統(tǒng)的缺陷。并且由于傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測是通過儀器到溫室大棚內(nèi)檢測、記錄，然后再人工啟動相關(guān)的設(shè)備來調(diào)節(jié)溫濕度。當溫度或濕度超過極限值時，傳統(tǒng)的控制方式在調(diào)控和監(jiān)測之間有一個時間差，如果正好在這個時間差內(nèi)由于人工的疏忽而沒有及時的啟動相應(yīng)設(shè)備來調(diào)控溫濕度就很可能造成不可逆轉(zhuǎn)的后果。本文主要研究實時監(jiān)測和控制大棚內(nèi)的溫濕度以保證大棚內(nèi)的溫濕度隨時處于正常水平。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚；溫濕度；單片機；ZigBee

0.引言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對新鮮、反季節(jié)瓜果蔬菜的需求不斷增加。加之中國又是一個耕地稀缺的人口大國，所以發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)是解決這一難題的不二之選。溫室大棚以其獨特的生產(chǎn)方式得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，由于我國溫室大棚發(fā)展較晚，目前國內(nèi)大棚自動化水平低，大棚溫濕度監(jiān)測可靠性低，所以現(xiàn)代化溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計越來越引起重視。為解決以上問題，本文針對大棚布局及作物生長的特點設(shè)計一套溫濕度無線監(jiān)測及實時控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)多點溫濕度的實時采集、無線傳輸及顯示，通過數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合大棚內(nèi)實際農(nóng)作物的生長特點來控制溫濕度，使作物達到優(yōu)質(zhì)生長、高效高產(chǎn)的目的。整個系統(tǒng)操作簡便、組網(wǎng)靈活且容易擴展，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

1.系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成

本系統(tǒng)以單片機為控制核心，組成一個集溫濕度采集、傳輸、分析、顯示及自動調(diào)控于一身的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路由溫濕度傳感器、ZigBee節(jié)點模塊、單片機、固態(tài)繼電器、負壓風機和濕簾組成。

1.2溫濕度采集模塊

1.2.1 DHT11溫濕度傳感器介紹

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，超小的體積、極低的功耗，使其成為溫濕度采集應(yīng)用場合的最佳選擇。

1.2.2 DHT11的技術(shù)參數(shù)

供電電壓：3.3～5.5VDC

測量范圍：濕度20-90%RH，溫度0～50℃

測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2℃

分辨率：濕度1%RH，溫度1℃

1.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

1.3.1 ZigBee技術(shù)簡介

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是組網(wǎng)簡單、低功耗、高數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域。

1.3.2 ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的建立

由于ZigBee組網(wǎng)簡單、數(shù)據(jù)傳輸高效，本系統(tǒng)采用最簡單的星形網(wǎng)絡(luò)拓撲機構(gòu)組網(wǎng)。本系統(tǒng)使用帶有zigbee協(xié)議的無線模塊，通過串口連接的方式來構(gòu)建zigbee溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由一臺溫濕度數(shù)據(jù)集中器（zigbee協(xié)調(diào)器）和安裝在各處的溫濕度監(jiān)測節(jié)點（zigbee設(shè)備）組成的星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

1.4單片機模塊

1.4.1單片機概述

單片機是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當于一個微型的計算機。單片機以其體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、功能齊全的特點在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.4.2 8051芯片的引腳分布

芯片引腳分布：

（1）電源引腳（2個）

（2）外接晶體引腳（2個）

（3）控制引腳（4個）

（4）并行輸入/輸出引腳（32個，分成4個8位口）

1.4.3 8051芯片的復位

8051單片機的復位方法有兩種：

（1）手動復位：按鈕按下，復位腳得到VCC的高電平，單片機復位，按鈕松開后，單片機開始工作。

（2）上電復位：上電后，電容電壓不能突變，VCC通過復位電容給單片機復位腳施加高電平5V，同時，通過10KΩ電阻向電容器反向充電，使復位腳電壓逐漸降低。經(jīng)一定時間后復位腳變?yōu)?V，單片機開始工作。

1.5溫濕度調(diào)節(jié)控制模塊

本系統(tǒng)設(shè)計為單片機接收到ZigBee節(jié)點模塊傳輸回來的溫濕度信息時，分析數(shù)據(jù)并判斷是否超出界限值，繼而由單片機發(fā)出高低電平控制信號來控制相關(guān)設(shè)備的啟停。由于單片機發(fā)出的電平信號是一個弱電信號，所以就需要加入繼電器來放大信號以達到弱電控制強電的目的。

1.5.1固態(tài)繼電器概述

固態(tài)繼電器是具有隔離功能的無觸點電子開關(guān)，在開關(guān)過程中無機械接觸部件，固態(tài)繼電器除具有與電磁繼電器一樣的功能外，還具有邏輯電路兼容，耐振耐機械沖擊，安裝位置無限制，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，在防爆和防止臭氧污染方面的性能也極佳，輸入功率小，靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好，噪聲低和工作頻率高等特點。

1.5.2 AC-SSR固態(tài)繼電器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

輸入電壓范圍：在環(huán)境溫度25℃下，固態(tài)繼電器能夠工作的輸入電壓范圍。

輸入電流：在輸入電壓范圍內(nèi)某一特定電壓對應(yīng)的輸入電流值。

接通電壓：在輸入端加該電壓或大于該電壓值時，輸出端確保導通。

關(guān)斷電壓：在輸入端加該電壓或小于該電壓值時，輸出端確保關(guān)斷。

額定輸出電流：環(huán)境25℃時的最大穩(wěn)態(tài)工作電流。

額定輸出電壓：能夠承受的最大負載工作電壓。

2.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，包括定義端口、8051初始化、ZigBee模塊初始化，然后進入主循環(huán)，在主循環(huán)中不斷調(diào)用各種子程序，從而完成溫濕度的監(jiān)測和調(diào)控。主程序流程圖如圖2-1

圖2-1 主程序流程圖

3.結(jié)束語

本文針對當前溫室大棚溫濕度監(jiān)測與控制的弊端，利用ZigBee節(jié)點模塊、單片機、固態(tài)繼電器等設(shè)計了一套溫室大棚智能無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有功耗低、傳輸數(shù)據(jù)高效快捷、組網(wǎng)簡單的特點，正好填補了當前溫室大棚測溫測濕系統(tǒng)的不足。并且該系統(tǒng)能夠隨溫室大棚的溫濕度變化而智能調(diào)控溫濕度，所以該（下轉(zhuǎn)第183頁）（上接第111頁）系統(tǒng)在發(fā)展現(xiàn)代化集約型農(nóng)業(yè)有著較高的應(yīng)用價值。 [科]

【參考文獻】

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