楊 帆，李富善

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205；

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

設(shè)施農(nóng)業(yè)是世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要方向之一，我國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型階段，設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國今后較長時期內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點［1］。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控是實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、高效化最為重要的環(huán)節(jié)之一，一直受到各國農(nóng)業(yè)專家和研究人員的高度重視［2］。溫室作為一種重要的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，過去常常以人工手段為農(nóng)作物創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，消耗的時間成本和人力成本較高，不利于資源的集約化利用［3］。采用傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)設(shè)計一套集監(jiān)控、管理于一體的智能溫室系統(tǒng)［4］，為解決農(nóng)業(yè)研究者面臨的困難提供了一種思路。而利用單片機技術(shù)和微機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計蔬菜大棚溫度、濕度控制網(wǎng)絡(luò)，以分布式聯(lián)片多個蔬菜大棚溫度、濕度控制或在一個蔬菜大棚內(nèi)進行溫度、濕度多點控制［5］的設(shè)計方法也被研究者深入探討。

但目前行業(yè)內(nèi)的研究都集中在控制溫室大棚內(nèi)的空氣的溫濕度、光照和二氧化碳濃度等，忽略了對作物生長的土壤濕度的實時測量與控制，而作物的優(yōu)良生長跟土壤的濕度有直接的聯(lián)系，只有控制好土壤濕度，才能有效提高作物的培育效率。為了節(jié)省人力成本，提高作物的培育效率，本文設(shè)計了一種基于NRF24L01無線通信芯片的自動控制系統(tǒng)［6］。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于充分利用NRF24L01芯片一對多的通信功能，通過上位機遠(yuǎn)程無線控制土壤濕度，同時監(jiān)測空氣中的光照強度、溫度和濕度變化，并實時顯示在上位機控制界面上。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計［7］，主要由上位機模塊、空氣信息監(jiān)測模塊和土壤濕度測控模塊組成。PC機、STC89C51單片機（以下稱1號單片機）、NRF24L01無線通信芯片（以下稱1號NRF）構(gòu)成上位機模塊；GY-30光照強度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、NRF24L01無線通信芯片（以下稱2號NRF）和STC89C51單片機（以下稱2號單片機）構(gòu)成空氣信息監(jiān)測模塊；YL-69土壤濕度傳感器、電磁閥、NRF24L01無線通信芯片（以下稱3號NRF）和STC89C51單片機（以下稱3號單片機）構(gòu)成土壤濕度測控模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of proposed system

系統(tǒng)的工作原理：啟動系統(tǒng)后在上位機界面上設(shè)定土壤濕度值，1號單片機通過1號NRF將設(shè)定的濕度值發(fā)送給3號NRF，3號單片機存儲濕度設(shè)定值并將采集到的實時濕度值發(fā)送給上位機模塊，之后通過對比接收到的土壤濕度設(shè)定值和實時采集到的土壤濕度值，控制電磁閥的開關(guān)，進而達(dá)到控制土壤濕度的目的；同時2號單片機將采集到的空氣中的溫度、濕度和光照強度數(shù)據(jù)整理后，經(jīng)2號NRF發(fā)送給上位機模塊；1號單片機整理接收自2號NRF和3號NRF的實時信息，并在控制界面上繪圖顯示變化情況。

1.2 系統(tǒng)通信方式

系統(tǒng)以3塊NRF24L01芯片作為通信核心，NRF24L01芯片是一種工作在2.4 GHz頻率下的單片無線收發(fā)器［8］，可按需配置為僅發(fā)射模式、僅接收模式和發(fā)射/接收模式。該芯片可實現(xiàn)一對多通信，在本設(shè)計中采用一對二的通信方式，將3塊NRF芯片均配置為發(fā)射/接收模式，數(shù)據(jù)寬度均為8個字節(jié)，頻率均為1 MHz。1號NRF的通信頻道設(shè)為10和60，根據(jù)設(shè)定的時間間隔在這2個頻道之間跳轉(zhuǎn)，2號NRF的通信頻道設(shè)為10，3號NRF的通信頻道設(shè)為60。當(dāng)1號NRF的通信頻道跳轉(zhuǎn)到10的時候，1號NRF與2號NRF進行通信；當(dāng)1號NRF的通信頻道跳轉(zhuǎn)到60的時候，1號NRF與3號NRF進行通信。

2 上位機模塊

2.1 上位機模塊硬件設(shè)計

系統(tǒng)的上位機模塊中，1號單片機與PC機之間采用串行通信方式，單片機的P3.0/RXD引腳和P3.1/TXD引腳用串行數(shù)據(jù)線接到PC機的串口（圖2中PC端），用來給PC機發(fā)送接受自下位機的數(shù)據(jù)，同時接收來自PC的控制指令。圖2為上位機模塊電路原理圖。

圖2 上位機模塊電路原理圖Fig.2 Schematics of host computer module

2.2 上位機模塊軟件設(shè)計

上位機模塊具體實現(xiàn)3個功能：一是在控制界面上實時繪制空氣中的溫濕度和光照強度變化曲線；二是在控制界面上實施繪制溫室內(nèi)土壤濕度的變化曲線；三是在控制界面上設(shè)定土壤濕度值。1號單片機作為上位機模塊的數(shù)據(jù)處理核心，一方面通過1號NRF的不同頻道跟下位機的2個模塊通信，另一方面通過串口線與PC機交互。圖3為上位機模塊工作流程圖。

3 溫室空氣監(jiān)測模塊

圖3 上位機模塊工作流程圖Fig.3 Work flowchart of host computer module

3.1 溫室空氣監(jiān)測模塊硬件設(shè)計

該監(jiān)測模塊中，2號NRF為通信核心，2號單片機為數(shù)據(jù)處理核心，GY-30芯片和DHT11芯片組成數(shù)據(jù)采集核心。GY-30芯片是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光照強度傳感器［9］，與2號單片機的P1.0和P1.1引腳相連，光照強度的采集范圍為 1～65 535 lx［10］，采集時間最大為 180 ms。GY-30傳感器的工作過程是：2號單片機向GY-30發(fā)送起始信號，接著向GY-30發(fā)送設(shè)備地址和寫信號，發(fā)送完畢后等待GY-30應(yīng)答；之后2號單片機發(fā)送內(nèi)部寄存器地址，等待GY-30應(yīng)答，收到應(yīng)答信號后，讀取測量結(jié)果（結(jié)果為16位數(shù)據(jù)）之后2號單片機開始處理數(shù)據(jù)，采集過程結(jié)束。DHT11芯片是一種輸出數(shù)字信號的溫濕度一體化傳感器［11］，包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件。該傳感器與2號單片機采用單總線進行通信，與2號單片機的P0.7引腳相連。DHT11芯片測得的數(shù)據(jù)為40 Bit，在與單片機傳輸時，數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)增加校驗位。圖4為空氣監(jiān)測模塊的電路原理圖。其中P1端為DHT11芯片，P2端為GY-30芯片。

3.2 溫室空氣監(jiān)測模塊軟件設(shè)計

空氣監(jiān)測模塊具體實現(xiàn)2個功能：一是收集空氣中的溫濕度信息，并將溫濕度數(shù)據(jù)整理后通過2號單片機發(fā)送給上位機模塊；二是收集空氣中的光照強度信息，并將光照強度數(shù)據(jù)整理后經(jīng)2號NRF發(fā)送給上位機模塊。圖5所示為溫室空氣監(jiān)測模塊的工作流程圖。

圖4 空氣監(jiān)測模塊電路原理圖Fig.4 Schematics of air monitoring module

圖5 空氣監(jiān)測模塊工作流程圖Fig.5 Work flowchart of air monitoring module

4 溫室土壤濕度測控模塊

4.1 溫室土壤濕度測控模塊硬件設(shè)計

該模塊中，3號單片機為數(shù)據(jù)處理核心，3號NRF為無線通信核心［12-13］，模塊通過YL-69芯片監(jiān)測溫室內(nèi)土壤的濕度信息，通過控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來控制水管內(nèi)水流的有無。YL-69芯片是一種用來測量土壤相對含水量的傳感器，該芯片有2個金屬插片插在土壤里，單位土壤含水量的變化會引起2塊插片之間的電阻值的變化，根據(jù)電阻的變化量求出電壓的變化量傳給單片機，從而監(jiān)測土壤濕度的變化情況。獲取土壤濕度信息的通道有2種：一是從YL-69傳感器的D0引腳，用于獲取濕度閾值狀態(tài)，通過3號單片機的P1.0引腳給單片機傳送數(shù)據(jù)，原理是，當(dāng)土壤濕度大于某個閾值，D0輸出0，否則輸出1；二是從YL-69傳感器的A0引腳，從該引腳獲取到的是模擬量，通過3號單片機的P0.0引腳給單片機傳送數(shù)據(jù)，用于獲取具體的濕度值。3號單片機通過P0.7引腳外加場效應(yīng)管IRF540驅(qū)動電磁閥，IRF540是電壓啟動型，3號單片機從P0.7引腳輸出一個低電平，三極管8550導(dǎo)通，使得IRF540的G極獲得一個5 V的電壓，IRF540導(dǎo)通，進而打開電磁閥開關(guān)，水管中水流通過，開始噴水。圖6為溫室土壤濕度測控模塊的電路原理圖，其中P1端為24 V電磁閥，P2端為YL-69土壤濕度傳感器，P3端為土壤濕度傳感器的金屬插片。

4.2 溫室土壤濕度測控模塊軟件設(shè)計

土壤濕度測控模塊具體實現(xiàn)2個功能：一是采集土壤濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機模塊；二是通過對比上位機模塊的濕度設(shè)定值和YL-69傳感器采集到的濕度值，以及上位機的控制指令決定電磁閥的通斷，進而使土壤濕度滿足設(shè)定值。圖7為土壤濕度測控模塊的工作流程圖。

圖6 土壤濕度測控模塊電路原理圖Fig.6 Schematics of soil moisture measurement and control module

圖7 土壤濕度測控模塊工作流程圖Fig.7 Workflow chart of measurement and control module of soil moisture

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 上位機模塊實物連接

1號單片機和1號NRF組成上位機模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)和處理單元，該單元用串行數(shù)據(jù)線連接到PC機上，將接收到的數(shù)據(jù)整理后傳送給PC機，同時將PC機的控制指令經(jīng)過處理后發(fā)送給其他模塊。圖8為上位機模塊的實物連接圖。

圖8 上位機模塊實物連接圖Fig.8 Real object connection photo ofhost computer module

5.2 溫室空氣監(jiān)測模塊實物連接

空氣監(jiān)測模塊置于溫室空氣中，GY-30光照強度傳感器測量照射到溫室上的光照強度，DHT11芯片測量溫室內(nèi)空氣中的溫濕度，2號單片機和2號NRF處理監(jiān)測到的信息。圖9所示為空氣監(jiān)測模塊的實物圖。

圖9 空氣監(jiān)測模塊實物圖Fig.9 Real object photo of air monitoring module

5.3 土壤濕度測控模塊硬件安裝

土壤濕度檢測器和土壤濕度傳感器組成土壤濕度的監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理單元，3號單片機通過電磁閥驅(qū)動器控制電磁閥的狀態(tài)，3號NRF用以跟上位機模塊的無線通信。圖10為土壤濕度測控模塊的實物圖。

圖10 土壤濕度測控模塊實物圖Fig.10 Real object photo of measurement and control module of soil moisture

5.4 電磁閥安裝

系統(tǒng)的執(zhí)行器為旋轉(zhuǎn)水噴頭，工作原理是：在噴管上方的搖臂軸上設(shè)有偏流板和導(dǎo)流板，當(dāng)水從噴管的噴嘴中噴出時，經(jīng)偏流板沖擊導(dǎo)流板，使搖臂產(chǎn)生切向力繞懸臂回轉(zhuǎn)一角度，然后在扭力彈簧的作用下返回并撞擊噴管，使噴管轉(zhuǎn)一角度，如此反復(fù)進行，噴頭即可做全圓周轉(zhuǎn)動，為了達(dá)到在作業(yè)范圍內(nèi)均勻噴灑的目的，在噴嘴處設(shè)置了網(wǎng)格。該噴管的噴灑半徑為2 m，即一個噴管可噴灑的面積大約為12 m2，按照溫室大小的不同增加（或減少）噴管的數(shù)目即可達(dá)到控制目的。電磁閥接到總水管上，當(dāng)電磁閥打開時各噴管開始噴灑，電磁閥關(guān)閉時各噴管停止噴灑。圖11為旋轉(zhuǎn)水噴頭和電磁閥的實物圖。

5.5 數(shù)據(jù)采集與分析

NRF24L01芯片總共有126個通信頻道［14］，但為了減少一對二通信時的干擾，將2號NRF的頻道設(shè)定為10，將3號NRF的通信頻道設(shè)定為60。經(jīng)過多次調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，在上位機模塊與溫室相距30 m內(nèi)，可有效獲取數(shù)據(jù)；2號NRF和3號NRF的距離超過3 m時干擾可忽略不計［15］。圖12為上位機控制界面。

圖11 水噴頭和電磁閥實物圖Fig.11 Real object photos of water nozzle and solenoid

圖12 上位機控制界面Fig.12 Control interface of host computer

在一個測量周期內(nèi)，溫室中空氣的監(jiān)測結(jié)果和土壤濕度的監(jiān)測結(jié)果均可實時顯示；在此次實驗周期內(nèi)，設(shè)定的土壤濕度值為60%，由圖12可以看出，土壤的濕度是在60%的周圍波動，變化區(qū)間在45%～75%之間。由于誤差和延時不可避免，導(dǎo)致不同時段采集到的數(shù)據(jù)差異較大，比如在08：00-10：00的時段內(nèi)，水噴管持續(xù)噴水，致土壤濕度一度高達(dá)75%。但總體而言，系統(tǒng)能按照設(shè)定的目標(biāo)良好運行，達(dá)到了測控的目的。

6 結(jié) 語

目前業(yè)內(nèi)的研究大部分側(cè)重于僅對溫室內(nèi)空氣的溫濕度和光照強度的測控，本文側(cè)重于對溫室內(nèi)的土壤濕度的自動控制，同時也實時監(jiān)測空氣的變化情況，設(shè)計了一種以NRF24L01芯片為通信核心的溫室無線測控系統(tǒng)。其創(chuàng)新點為：一是利用無線通訊的方式，極大的簡化了控制方式；二是利用NRF24L01芯片一對多的通信功能，提高了測控效率。接下來還可以進一步利用NRF24L01芯片的一對多通信方式，用一個PC機控制多個溫室大棚內(nèi)的物理指標(biāo)，實現(xiàn)資源的集約化利用。