大棚温湿度监测系统的设计与实现 论刊物电.docx
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大棚温湿度监测系统的设计与实现论刊物电
大棚温湿度监测系统的设计与实现
赵华峰
（渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714099）
摘要：
温室大棚是现代化农业生产的重要手段，是提高生产力和生产效率的有力保障，为此设计一种主从式的温湿度监测系统。
系统以STC89C52RC为控制核心，采用无线芯片nRF24L01P实现主-从机的数据连接。
主机系统由nRF24L01P接收从机发来的温湿度数值作为依据来控制加湿工作。
温湿度采集单元能够监测一定范围内的温湿度数据，精度好，可靠性高，可节约大量的人力物力成本，有一定的推广价值。
关键词：
湿度传感器DHT11；STC89C52单片机；NRF24L01P
中图分类号：
TP212.1文献标识码：
A
基金项目：
渭南师范学院特色学科建设项目（14TSXK06）；渭南师范学院重大科研项目（2015ZD002）
科学技术的发展使得我国农业从传统向以优质、高效、高产为目标的现代化农业转化，大棚作为现代农业设施的重要产物得到了广泛应用，可以避开外界种种不利因素的影响，创造适宜农作物生长的气候环境。
在温室大棚中，温度和湿度变化是重要的环境因子，对作物的生长起着关键性的作用，直接决定着其中农作物的产量和质量，对温湿度的自动监测研究成为比较关心的问题。
在传统监测系统中的传感器一般采用热电阻、热电偶等模拟器件，需要额外加补偿电路，安装复杂，成本较高。
而且必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。
这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题，而其中某一环节处理不当，就可能造成整个系统性能的下降。
目前应用于温室大棚的温湿度监测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。
这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。
随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，克服了这些缺点，将逐步取代传统的温湿度检测措施[1]。
根据使用者提出的问题进行了改进，采用基于单片机的数字化单总线技术，实现了温室大棚温湿度度检测系统，在单总线上传输数字信号，用DHT11温湿度传感器解决传输模拟量误差大的问题，无线收发模块来代替之前大量的电缆，具有更好的经济与实用价值。
1系统方案的确定
1.1系统设计要求及思路
随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的进行通风、去湿和降温等工作。
这种测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
迫切需要价格适中的、自动化程度高、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得成本低性能稳定的这种要求变为可能。
针对这一问题，确定设计的系统应满足温湿度自动实时检测显示，上下限报警等多项功能的温湿度监测系统。
针对大棚的特点和使用的普及，对方案提出可行性的要求：
高质量的传感器，传感器的性能要与控制系统相适应，传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，采用的传感器、无线模块等均满足现代大棚的环境监测要求；传感器的稳定性高，且其测量范围广，能够适应大棚内的使用环境；性价比高，考虑到实际运用与较大环境内的信息监测，需要用到大量的传感器，要求其价格较低廉，否则难以推广。
按照上述的可行性要求，大棚的温湿度实时监测系统应包括参数采集、数据处理、实时显示以及无线传输等模块。
具体实施主要通过选择传感器件、设计应用硬件电路、编写软件功能程序等步骤来实现所需要求。
达到大棚温湿度参数实时测量及显示，并通过无线传输模块将数据发送至控制室并显示。
1.2系统硬件部件的选择
1.2.1传感器的选择
方案一：
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
应用较多的有铜、铂、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
铜电阻的温度系数比铂的大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
方案二：
采用DS18B20作为温度传感器。
DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器，具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，DS18B20的测温范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内，精度为±0.0625℃，现场温度可直接以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
它工作在3V~5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便。
方案三：
采用HOS-201湿敏传感器。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案四：
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%---100%RH范围内。
方案五：
采用DHT11数字温湿度传感器。
DHT11数字温湿度传感器包含1个8位的MCU，电阻式检测湿度的感湿构件，用于温度采集NTC构件，因此具有湿度与温度的检测，并带有一次性可编程的内存，内存里存有的数字信号校准程序能够保证足够精度的数据，DHT11数字温湿度传感器采用特别设计的数字模块采集技术和温湿度传感技术以保障高精度的数据采集。
一根线连接单片机的I/O口即可[2]，连接电路简单，可以简化系统的电路设计。
工作电压为5V，平均最大电流不超过0.5mA。
湿度测量范围20%~90%RH，温度的测量范围0~50℃。
综合比较方案一至方案五，方案一或二可以满足测量温度的要求，方案三或四可以实现测量湿度的要求，但方案五可以同时测得温湿度，连接电路简单，因此，选择方案五的DHT11数字温湿度传感器。
1.2.2单片机的选择
系统的微控制器采用STC89C52RC单片机[3]，它是宏晶科技推出容量为8K字节可编程可檫除快闪式只读存储器的高性能微处理器。
器件的工作电压3.3V到5.5V。
该芯片容易买到，价格便宜，降低了系统的费用支出。
1.2.3显示器件的选择
方案一：
采用LCD液晶显示器显示。
它可视面积大，显示字符多，抗干扰能力强，可以节省系统中断资源，缺点是显示内容需要存储字模信息，占用一定存储空间的开销。
方案二：
采用LED数码管显示。
它是用发光二极管组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字型，构成了半导体数码管。
半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管，需要驱动器件。
缺点是受数码管个数的限制若一次显示的内容太多无法胜任。
考虑到多个测量点显示，内容较多，基于以上所述，系统采用方案一。
1.2.4无线通信器件的选择
nRF24L01P（或称nRF24L01+）是一款有着广泛应用较为成熟的单片无线收发芯片，工作于ISM频段，频率2.4GHz到2.5GHz。
芯片工作的频道、相关的设置和发射功率可以通过SPI串口设置。
极低的功耗设计，与nRF24L01相比有更低的功耗，并有待机模式和掉电模式为低功耗设计提供方便。
2系统硬件设计
2.1系统组成结构
图1系统的总体结构框图
由上面确定的方案要求进行设计，系统以STC89C52RC单片机为核心，采用主-从结构的通信模式，引入无线模块实现数据传输，从机负责把DHT11的温湿数据通过无线收发模块发送给主机，主机对取得相关数据处理，可以用蜂鸣器提示越限，或者用继电器控制相关装置动作。
本系统以采用3个从机为例给出方案总体结构框图如图1所示。
2.2主机和从机的硬件电路
从机的电路除单片机最小系统外，还包括DHT11温湿度传感器和nRF24L01P无线收发模块。
DHT11的DATA口和单片机的P2.0相连，无线模块的相关引脚选取P2.2-P2.7与单片机相连。
主机和从机都包含无线收发模块[4]，另外增加了光电隔离继电器电路、蜂鸣器报警电路、按键输入电路与LCD显示模块。
光电隔离继电器电路可分隔开控制电路与执行电路，增加了系统的抗干扰能力与安全性；蜂鸣器报警电路和水位传感器（设计用按键S6代替），实现加湿器的干烧报警；按键输入电路与LCD显示模块的增加，使用户可以自己设置最佳湿度值并可以把它和各从机的数据、当前温度值实时显示出来。
系统主机和从机电路原理图如图2和图3所示。
主机与从机的交互方式采用轮流询问方式，可以增减从机单元的数量以匹配空间的大小，用湿度数值的平均值变量控制加湿，只要一个从机正常工作就可以进行加湿调控，只是精度下降。
DHT11采集到传输的时延稍长，为此从机接到询问转入到数据采集再到发射模式不能达到即发即收，因此主机采集接收部分、从机的发射模式做循环处理直到发送中断标记了退出进入待机[5]。
图2主机电路原理图
图3从机电路原理图
2.3传感器电路
DHT11在3-5.5V电压下就可正常工作，MCU对DHT11的数据采集周期T最小必须控制为1s。
DHT11与MCU间的数据交互通过单总线协议实现，DATA与单片机I/O相连（本设计采用P2.0）。
确保数据传输过程的稳定，连接DATA的导线要上拉，阻值为5k，长度限制20米。
实际使用若超出限制时要配用合适的电阻同时也要使用屏蔽线来保证通讯顺利进行。
基本电路连接见图3右上角部分所示。
2.4收发芯片电路
nRF24L01P的工作电压为1.9～3.6V间，而单片机的工作电压为5V左右，为了使无线收发模块正常工作，使用HT7133稳压芯片供电3.3V电路作为电源。
HT7133电路图如图3右下角部分所示。
收发芯片电路连接见图4所示。
图4nRF24L01P芯片收发电路图
另外显示芯片LCD1602的RS、RW、E分别与单片机的P1.0，P1.1，P1.2等I/O相连，8位并口直接与单片机的P0口连接。
3系统软件程序设计
3.1主机程序设计
系统的主机程序设计分为几个部分包括按键输入、显示模块、水位检测、无线收发模块、继电器。
系统上电初始化后，先读取水位信号，判断水位信号是否过低，如无则进入无线握手从机接着转为接收模式等待接受从机发射的数据，单片机把接收到的数据求平均值后与设定值比较，判断是否加湿。
从机若有一个能传回数据，加湿器就能自动工作，否则加湿器停止工作。
在工作过程中可以长时间按下设置键来进入湿度值设置模式，若水位过低时，蜂鸣报警并且不再加湿。
主机程序流程图如图5所示。
图5主机程序流程图
3.2从机程序设计
从机的程序设计有无线收发模块和DHT11温湿度采集模块。
为保证及时收到主机的信号，从机先一直保持在接收模式，直到收到主机的握手信号后，转换为发射模式，接着把检测的温湿度数据发送出去。
从机程序流程图如图6所示。
图6从机程序流程图
3.3DHT11模块程序设计
根据传感器的通讯时序图，首先由单片机P2.0口拉低总线，发出数据传输启动信号，然后由DHT11控制数据线电平变化传输数据，单片机通过循坏语句等待的检查I/O口的高低电平，获得正确的数据[6]。
DHT11传感器模块的程序流程图如图7所示。
图7DHT11传感器模块的软件流程图
3.4nRF24L01P发射程序设计
发射的参数设置通过SPI接口输入到发射芯片的，配置通信的频率、CRC校验、发送地址的宽度、低噪声增益、射频功率，启动自动应答，设置接收节点的地址、发射数据长度、有效数据，发射数据写入缓冲区，延时后发送数据。
发射程序流程如图8所示。
图8nRF24L01P的发射流程图
3.5nRF24L01P接收程序设计
接收数据时，先将CONFIG寄存器中写入0x0f。
然后延迟进状态等待数据到来。
当从机和本机有着一样的地址和通过了CRC校验时，就将数据包储存在接收缓存器中，同时状态寄存器（STATUS）中的中断标志位RX_DR置高，这时可用软件查询status的值，单片机被通知去取数据了[7]。
其程序流程图如图9所示。
图9接收程序流程图
4测试与分析
为了检测系统的运行是否达到预期的功能，对每个功能单独检测。
系统的3个从机单元全部正常工作的状态。
测试结果如图10。
与预期效果一致。
图10正常工作状态数据显示
为检测系统工作情况进行实际效果测试。
测试的地方属于矩形约平均的分为3个区域，每个单元每5分钟变换一个区域。
测试数据见表1。
由表1可看出空间中的湿度并不是绝对的均匀的，标准的湿度值也不是绝对的。
因此对精度相对误差进行计算时，采用平均值作为室内湿度参考值，相对误差数据见表2所示。
表1测试数据表2相对误差
区域1
区域2
区域3
平均值
区域1
区域2
区域3
平均值
51
50
59
53
-3.8%
-5.6%
9.4%
53
53
51
58
54
-1.9%
-5.5%
7.4%
54
55
58
57
56
-1.8%
3.6%
-1.8%
56
4结束语
设计与实现的温湿度监测系统能对大棚内的温湿度进行采集，其值由单片机处理，通过无线通信模块，将大棚内多点的温湿度发送给控制主机，并在液晶显示器上实时显示。
系统测量精度高、性价比高、安装方便、可维护性好、适于推广。
随着制造工艺的发展，高精度、低价格的传感器件已逐渐应用到大棚中，管理中运用遥测技术、网络技术使得大棚业正朝着网络化、无人化方向发展，这为进一步的研究指明了方向。
参考文献：
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[3]张日希.STC89C52系列单片机实用C语言程序设计[M].北京:
人民邮电出版社,2005.45-56.
[4]季行健,郑青,姜伟.基于nRF2401无线监控系统的应用与实现[J].自动化仪表,2007,（09）:
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[5]刘志平,赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技,2008,（03）:
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[7]潘勇,管学奎,赵瑞.基于NRF24L01的智能无线温度测量系统设计[J].电子测量技术,2010,（02）:
120-122
DesignandImplementofTemperatureandHumidityMonitoringSystemforGreenhouseCanopy
ZHAOHua-feng
（SchoolofPhysicsandElectricalEngineering,WeinanNormalUniversity,Weinan714099,China）
Abstract:
Greenhousecanopywasanimportantmeansofmodernagriculturalproduction.Itcouldimprovetheproductivityandefficiency.Thereforeamaster-slavehumidificationcontrolsystemwasdesignedandimplemented.ThesystemtookSTC89C52RCsinglechipmicrocomputerasthecontrolcoreandusedwirelesschipsnRF24L01Pasthemaster-slavedataconnectionway.Accordingtothedatafeedbackfromslavemachine,thehostsystemcontroledtemperatureandhumidity.Thesystemcoulddetectthemoisturedistributionincertainspacescope.Thesystemwassimple,goodaccuracyandhighreliabilityandcouldsavealotofmanpowercost.Soithadacertainapplicationvalue.
Keywords:
temperatureandhumiditysensorDHT11;STC89C52singlechipmicrocomputer;NRF24L01P
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