蔬菜大棚智能数据采集系统的设计课案.docx
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蔬菜大棚智能数据采集系统的设计课案
学号__1109111055_
毕业论文（设计）
课题蔬菜大棚智能数据采集系统的设计
学生姓名徐飞
院部电气工程学院
专业班级自动化一班
指导教师杨路
二〇一五年五月
摘要
随着经济的快速发展，人们对蔬菜的需求大幅度提高，大棚蔬菜种植技术在我国迅速发展起来，目前虽然生产规模巨大，但蔬菜大棚设备陈旧，数据采集方式落后，自动化、智能化水平低，不利于蔬菜大棚的推广和蔬菜产量的提高，也不利于我国农业的长远发展。
温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度等控制因子是蔬菜大棚种植环境的主要参数，蔬菜的生长速度、品质与这些参数有着密切的关系，有效的控制这此因子可提高蔬菜产量与质量，达到省时省力与增产增收的目标。
本系统以STC89C52单片机为主控芯片，采用了无线通信模块nRF24L01模块，利用DHT11传感器检测温度、湿度、BH1750fvi传感器检测光照强度、红外二氧化碳传感器检测CO2浓度，通过nRF24L01模块进行无线传输采集数据，从而实现了对环境因素的精确采集。
关键字：
单片机；STC89C52；无线传输；nRF24L01；DHT11；BH1750fvi
Abstract
Withtherapiddevelopmentofeconomy,peopleofvegetableofthesubstantialincreaseindemand,greenhousevegetableplantingtechnologydevelopsrapidlyinourcountry,atpresentalthoughtheproductionscaleishuge,butvegetablegreenhousesobsoleteequipment,backwardandthewayofdatacollection,automation,intelligentlevellowadverseingreenhousevegetablepromotionandvegetableyieldincrease,isnotconducivetothelong-termdevelopmentofChina'sagriculture.
Temperature,airhumidity,lightZhaointensityandcarbondioxideconcentrationcontrolfactoristhemainparametersofgreenhousecultivationenvironment,vegetablegrowthspeed,quality,andtheseparametershavecloserelationship,andeffectivelycontrolthefactorcanimprovetheyieldandqualityofvegetables,achievethegoalofsavingtimeandincreaseproduction.
ThesystemtoSTC89C52microcontrollerasthemaincontrolchip,thewirelesscommunicationmodulenRF24L01module,usingDHT11sensordetectsthetemperature,humidity,illuminationintensity,infraredcarbondioxidesensorforthedetectionofCO2concentrationBH1750fvisensordetectionandbymodulenRF24L01wirelesstransmissiondataacquisition,soastorealizetheaccurateacquisitionofenvironmentalfactors.
Keyword:
MCU；STC89C52；wirelesstransmission；nRF24L01；DHT11
插图清单
表格清单
第1章绪论
1.1课题的来源
我国大棚种植约始于1965年，如今技术设备已经更新好几代，大棚面积也已经稳居世界前列，同时伴随着科技快速发展，使得农作物栽培不受地域、季节限制，蔬菜成为了一年四季人们的餐桌食物，中国的蔬菜大棚也渐渐走向自动化、无人化和信息化。
目前，中国的温室主要是在温室和塑料大棚，温室管理主要是人工的，在很大程度上造成了人力资源和原材料的巨大浪费，且效率不高。
随着国民经济的快速发展和现代化工业生产的迫切要求，人们在日常生活的方方面面越来越多的见到利用无线传输方式进行数据的采集和传递。
在过去，由于蔬菜大棚都是采取了分区采样的人工方法，获得的数据十分不可靠、人工工作强度大、检测目标分散，以往的方法也渐渐落伍，很难满足现代农业快速发展，而很多复杂系统依赖无线数据传输技术的快速发展，其采集检测数据的能力更加精确可靠，操作上更加简便易行。
图1-1日常生活中蔬菜大棚
1.2国外研究概况
如今一些发达国家已具备了相当成熟的蔬菜大棚技术，早在1970年，国外开始采用模拟式仪表，收集、保存和分析了大棚内的若干环境参数，到1990年左右，计算机技术为核心的分布式控制系统开始崭露头角。
如今国外的蔬菜大棚自动控制系统的研究已经有了极大的进步和发展，一些发达国家正在朝着信息化、智能化、自动化的目标挺进。
世界园艺强国荷兰的大棚控制技术一直处于世界领先水平，堪称是欧美的典型代表，由于荷兰温差很小，其大棚内的温湿度等难题考量不多，从而侧重对于光照强度的采集和控制，荷兰的大棚的隔热技术、调节CO2技术和人工补光技术一直处在世界前列；以色列的现代温室大棚技术可通过计算机网络对自身环境参数进行自动检测及调节来完成植物自身对外界参数的不同要求，先进的滴管和微喷管系统进行灌溉和施肥，从而实现温室农作物常年高效生产；此外美国、加拿大等还利用人为增加光强度，由机器手或机器人进行移植栽培，选用计算机网络技术和无线通信技术进行温室的的远距离监测与控制，从而很大程度上提高了生产效率以及植物的产量，极大的提高了农业信息化水平。
1.3中国蔬菜大棚潜在的问题及其需求分析
存在的问题：
1）蔬菜大棚系统依然使用过去有线通信方式。
蔬菜大棚传统上采用RS485等总线方式，此类有线通信方式使得系统的可靠性降低，线路错综复杂安装维护繁杂，不利于大规模无人化生产，在实际应用空间上具有局限性。
随着计算机技术的快速发展，无线通信数据采集与处理在工农业生产中迅速得到了广泛的应用，蔬菜大棚系统也需要更新。
2）我国蔬菜大棚生产管理主要依赖经验和单因子定性控制，调节控制能力差，总体机械化程度低，主要仍是依托人工体力作业。
需求分析：
中国经过30多年的改革开放，伴随着社会经济快速发展，工业化和城市化不断提高，用于农业生产的土地面积不断减少，这也迫切要求发展和提高中国的农业现代化水平，其中重点就是蔬菜大棚技术。
本设计通过采集大棚内光照强度、湿度、温度、CO2浓度的相关数据，及时了解和调节蔬菜大棚内农作物的生长环境的4种重要参数，使其在最适宜的环境下生长，我们致力于在有限的土地占有面积上进行高效的农业生产，提高农业生产效率，使得中国农业朝着高效化、信息化以及智能化的方向发展[1]。
1.4本文主要研究工作
本文设计了由STC89C52控制nRF24L01和DHT11、BH1750fvi、C20三种传感器构成了无线数据通信的系统。
整个系统可分为两大部分，其中发送部分以STC89C52为主控芯片，使用DHT11采集温湿度、BH1750fvi采集光照强度、C20采集CO2浓度并由nRF24L01无线射频模块将采集到的各种数据传送给接收部分；接收部分以STC89C52为主控芯片，通过nRF24L01接收温湿度、光照强度、CO2浓度数据然后在LCD12864上显示。
第2章系统方案分析与选择论证
2.1系统方案设计
2.1.1主芯片选择方案
方案一：
选用STC89C52作为主控芯片。
此芯片有以下长处：
效率高、功能强、应用简便、低功耗、低成本、高稳定性、高速度、体积小、集成度高且易于扩展。
方案二：
选用TI（德州仪器）公司研发的具有16位总线的外设和内存统一编码的内置高速12位ADC的超低功耗、集成度高的单片机MSP430F149作为主控芯片。
寻址范围可达64K、支持ISP、便于系统的开发和设计，具有非常强大的功能，但其价格比较贵，又由于它的封装形式连接不便于电路的焊接，因此大大增加了开发成本和时间周期。
方案三：
选用ATMEL公司生产的，目前主流的高性能、性价比高、低功耗的8单片机8位AVR的ATmega16，具有先进的RISC结构、非易失性程序和数据存储器、JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）。
具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
但由于本系统对运算要求不高，且AVR单片机价格较高，不适宜本设计的要求。
由于蔬菜大棚内的环境常年湿度较高，容易使得电子产品的腐蚀。
所以从成本上要求主控芯片必须价格低廉且性能可靠。
同时，为了便于系统的安装和维护，我们希望单片机的性能优良、集成度高，本系统选择方案一。
2.1.2无线通信模块方案
方案一：
选用高速、低功耗、抗干扰能力强的nRF24L01无线射频模块进行通信，它是是一款最高工作速率为2Mbps、高效GFSK调制、内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制的无线通信模块，由于模块采用SPI总线通信模式，所以操作比较方便、价格低廉，特别适合工业控制场合，
方案二：
选用美国TI（德州仪器）公司开发的使用ZigBee总线方式的CC2430无线通信模块，它具有非常显著的耗电少、接收灵敏度高、传输距离远、成本低和强大的抗干扰性等优势，而ZigBee通信协议对于初学者来说较为复杂，一时难以掌握，另外CC2430模块价格较贵。
方案三：
选用GSM模块进行通讯，抗干扰能力强，状态稳定，在覆盖地域通信质量高，能够支撑多种业务、有效地保护用户权利和加密传输讯息，但它需要需要内置SIM卡，编码质量不够高，编码速度只有13kb/s,且通信过程中需要收费，后期成本较高。
综上所述，我们采用方案一中的nRF24L01作为本系统的数据通信模块[2]。
2.1.3湿度、温度传感器方案
方案一：
选用HS1101检测蔬菜大棚内湿度，DS18B20检测大棚内温度。
DS18B20由于其电路接线简单、易编程、体积小、持久耐用、封装种类丰富，因而广泛应用于设备要求的狭小空间。
HS1101由于具有高可靠性与长时间稳定性,可应用在需要湿度补偿的各类场所。
方案二：
模拟输出型温湿度传感器，它输出的信号信号是微弱的模拟电信号，且响应时间慢、热惯性大、线性差、需要各种补偿，适用于温湿度良好的环境中，如办公室、医院等。
方案三：
数字型温湿度复合传感器，其中以DHT11、SHT11系列为代表，其特征就是输出为数字信号、不需要A/D变换、外围电路接线简单、外部抗干扰能力很强、无需外部放大电路。
方案四：
逻辑输出型温湿度传感器，这类传感器以LM56等为代表，主要是判断温度、湿度是否超过了设定范围，一旦超过原设定范围，就会发出警告。
综合以上四种方案，本系统选用方案三数字型传感器DHT11。
2.1.4光照传感器选择方案
方案一：
光照传感器，它可以根据光照强度调整亮度，其测量范围广，分辨率高，无需设计外围复杂电路。
其中的代表就是一种以两线式串行总线进行通信的数字光照强度传感器BH1750FVI，它工作时对光源依赖较弱并且支持IIC总线接口通信。
方案二：
光敏传感器，它是一种敏感波长在红外线波长和紫外线波长之间的利用光敏元器件将光照强度信号经过A/D变换成为电平信号的设备，它广泛应用在对光的探测和组成其他传感器的探测元器件，但它受温度影响较大、响应速度慢且延迟时间又受到入射光的光照度影响。
综合以上两个方案，采用以BH1750fvi为代表的方案一。
2.1.5气体传感器的选择方案
方案一：
红外式传感器，它是运用了不同波长光线可以被不同种类的元素吸收的光学原理作为检测气体浓度的依据，优点是线性转换度好、响应速率快、可以适应恶劣环境、稳定性好等特点。
方案二：
电解质气体传感器，它是在通电情况下利用不同浓度的被测气体与某种固体电解质电极间发生化学反应，进而引起其电极正负电位的变化，根据被测气体与电极电位的变化量成正比例的关系，可以得出电位和气体浓度的变化。
方案三：
金属氧化物半导体式传感器，它对湿度、温度、光照强度等各种因素都很敏感，外界因素的一点变化都会引起半导体材料的载流子的变化，通过采集其材料的物理变化，可以推出它所处的CO2的的浓度。
综合以上气体传感器的特点，由于方案二、三中的传感器存在温度漂移、零点漂移等缺点，本系统采用方案一中的灵敏度高、线性好、响应时间短、测量时受外界环境影响小的红外CO2传感器C20。
2.1.6显示模块选择方案
方案一：
选用可以显示较多汉字和ASCII码的LCD12864，由于它低电压低功耗、连接方式灵活简便、操作指令简单等显著特点，可设计出全中文人机交互图形界面，最大限度的完成图形的显示。
方案二：
选用点阵型液晶模块LCD1602，它价格便宜易控制，且可显示字母、数字、符号，但只可显示固定的每行16个字符的2行字符，因而不能显示位图图形。
方案三：
选用LED数码显示管，它的成本虽然少，但是只可以显示数字和少数的字符和符号。
本系统选择了LCD12864显示屏。
点阵图形液晶模块、点阵字符液晶模块以及数显液晶模块是3种最为常见的液晶显示模块，本系统选用主控芯片为KS0108的不带字库的AMPIRE12864液晶显示屏，是由于汉字不能像英文那样用字符模块就可以显示，显示汉字必须用图形模块，这也是图形液晶模块在中国应用范围最为广泛的重要原因。
2.2系统最终方案
本系统以89C52作为主控芯片，外接光照采集模块、温湿度采集模块、CO2浓度采集模块以及无线射频模块，4种数据通过I/O接口保存到存储单元中，接着将nRF24L01模块初始化，89C52经过接口将采集到的数据传送到nRF24L01中的TX_FIFO缓冲区内，在发送模式下CE拉低,直至数据成功发送完毕，从而启动待机模式，紧接着接收端等待接收数据，如果收到超出预先设定的数据范围，则蜂鸣器报警，延迟一段时间后，传感器重新采集数据。
图2-1系统硬件结构框图
第3章系统硬件模块设计
3.1单片机控制模块
3.1.1主控芯片概述
STC89C52是宏晶科技公司推出的利用高密度非易失性存储器技术制造的低功耗、高速、超强干扰的MPU，指令编码完全与过去的MCS-51单片机相兼容。
STC89C52具有片上在系统可编程Flash，便使得它广泛应用在很多工业过程控制和嵌入式控制中。
SC89C52为满足不同产品的需求，开发了3种封装形式PDIP、TQFP和PLCC。
它的工作电压在5.5V～3.3V，工作频率范围0～40MHHz，本设计采用比较常见的PDIP封装形式。
STC89C52主要功能特性如表3-1所示，管脚分布如图3-1所示。
表3-1主要功能特性
兼容MCS-51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
全双工UART串行中断口线
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
看门狗（WDT）电路
灵活的ISP字节和分页编程
图3-1主控芯片管脚分布图
3.1.2单片机控制模块电路
STC89C52最小系统构成单片机控制模块，其中最小系统包括STC89C52芯片，时钟电路、复位电路和电源电路[3]。
（1）时钟电路
89C52的管脚19（X1）与18（X2）外接一个晶体与内部一个高增益的反相放大器构成了1个振荡器，单片机的时钟连接方式可以分为内部时钟方式和外部时钟方式时钟，本系统采用内部时钟方式。
在单片机的管脚18与19接一只12MHz或6MHz晶振振荡器和两只30pF（<47pF即可）电容就构成了单片机的外部时钟电路，其中两个电容在电路中起到了对振荡频率的微调作用，单片机工作的时间基准就是由时钟电路决定的[4]。
（2）复位电路
本系统采用上电+按键复位方式，其中复位端等于0时有效。
复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上，倘若本设计采用12MHz晶振，那么复位脉冲宽度最少是2us。
单片机最小系统如图3-2所示。
图3-2主控芯片的最小系统
（3）电源电路
通常，我们使单片机时，为了减少直流供电电源对上位复电的影响，单片机的复位必须以稳定的电源作为前提，市电220V电源先经过变压器降压后，再通过二极管全波整流，接着电容滤波，最后再通过三端稳压器LM7805进行稳压，输出为稳定的5V电压，具体电路图如图3-3所示，这样就可以减少单片机供电电源、复位电路结构、按键按键导线的干扰影响。
AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。
它分为固定输出版本和可调版本，内部集成了过热保护和限流电阻，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。
本设计采用固定输出版本，如图3-4，它输入为5V，为nRF24L01提供输出为3.3V电压[5]。
图3-3供电电源电路图
图3-4AMS117降压电路
3.2单片2.4GHznRF24L01无线模块
3.2.1nRF24L01芯片概述
nRF24L01是一款由Nordic公司研发的在2.4GHz～2.5GHz工作的世界通用ISM频段的低功耗无线射频收发器芯片,其中由增强型晶体振荡器、ShockBurstTM模式控制器、解调器、调制器、频率发生器、功率放大器等共同构成了无线收发器,通信协议、频道选择以及输出功率可通过SPI命令进行配置。
nRF24L01B（PCB板载天线）和RF24L01SE（外置天线）是nRF24L01的无线模块的两个型号，本系统选用RF24L01B。
它拥有ShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种收发模式，其中器件配置字决定收发模式，本系统通过选用EnhancedShockBurstTM收发模式。
表3-2nRF24L01主要特性
GFSK调制
硬件集成了OSI链路层
具有自动应答和自动在发射功能
片内自动生成报头和CRC校验码
数据传输速率为1Mb/s或2Mb/s
SPI速率为0Mb/s~10Mb/s
125个频道
与其他NRF24系列射频器件相兼容
3.2.2引脚功能及描述
nRF24L01的引脚封装如图3-5所示。
各引脚功能如表3-3所示。
图3-5nRF24L01引脚封装
表3-3nRF24L01引脚功能
CE
使能发射或接受
CSN、SCK、MOSI、MISO
SPI引脚，为处理器通过此引脚配置nRF24L01
IRQ
中断标志位
XC2、XC1
晶体振荡引脚
VDD_PA
为功率放大器供电输出为1.8V
ANT1、ANT2
天线接口
IREF
参考电流输入
3.2.3工作模式
我们可以通过设置寄存器可将nRF24L01设置为发射、接收、待机和掉电4种工作模式，见表3-4所示。
表3-4nRF24L01工作模式
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
—
发射模式
1
0
1
数据在TX_FIFO寄存器中
发射模式
1
0
1→0
停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式1
1
0
1
TX_FIFO为空
待机模式2
1
—
0
无数据传输
掉电模式
0
—
—
—
当系统在待机模式1和2时，寄存器中的配置字内容仍然保留，在待机模式1下，晶体正常工作，此模式下能够保证快速启动且减少nRF24L01模块的平均消耗电流，当CE=1且TX_FIFO寄存器为空时，系统进入待机模式2。
在待机模式2中，其中的一部分时钟缓冲器还在工作模式。
寄存器中PWR_UP位就是来控制掉电模式的，当PWR_UP位为0时，进入掉电模式，此时nRF24L01的各个功能关闭，电流消耗最低，nRF24L01停止工作，但所有配置寄存器的内容保持不变。
3.2.4增强型ShockBurstTM工作原理
1．增强型ShockBurstTM发送过程：
1）配置寄存器PRIM_RX位设置为0，进入发送模式；
2）当采集到的数据要发送时，先通过SPI接口向接受节点地址（TX_ADDR）和有效数据（TX_PLD）按照时序写入FIFO，其中在CSN=0时TX_PLD持续写入，TX_ADDR只需一次写入即可；
3）设置CE为高（至少10μs），激发nrf24L01进行EnhancedshockBurstTM发射，无线系统上电，装配含有字头和CRC校验码的数据包，130μs后发送数据；
4）如果ACK应答允许，则nRF24L01在发射数据后立即使得PRIM_RX由0变为1，从而进入接收模式，接收应答信号，收到应答后TX_DS=1，且在TX_FIFO中清除TX_PLD。
2．增强型ShockBurstTM接受过程：
1）配置要接受数据包的长度大小和本地地址；
2）将nRF24L01设置CE等于高电平，启动接收模式；
3）145μs后进入接收状态，开始检测空气中的数据信息；
4）当接收到含有有效信息的数据包（地址匹配、CRC检测正确）时，就将数据包存储在RX_FIFO缓冲区中（字头、地址和CRC校验位已移去），且RX_DR（中断标志位）=1，IRQ=0，产生中断信号，通知微处理器去取数据。
如果此时开启的是自动应答，接收方则同时进入发送模式发送应答确认信号。
最后接收完成时，可以清除STATUS寄存器，nRF24L01可以进入任意模式。
进入待机模式或掉电模式才能够写寄存器。
nRF24L0l所有的设置都在配置寄存器中，我们可以通过配置寄存器的状态来决定配置字，所有的配置寄存器均是通过SPI口进行设置的。
SPI相关的指令在使用时由MOSI输入，相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
如图3-6和3-7，给出SPI操作读写时序图。
图3-6SPI读操作
图3-7SPI写操作
表3-5列出了nRF24L01的常用的配置寄存器，它总的有25个配置寄存器。
表3-5常用配置寄存器
地址（H）
寄存器名称
功能
00
CONFIG
设置24L01工作模式
01
EN_AA
设置接收通道及自动应答
02
EN_RXADDR
使能接收通道地址
03
SEUP_AW
设置地址宽度
04
SETUP_RETR
设置自动重发数据时间和次数
07
STATUS
状态寄存器，用来判定工作状态
0A~0F
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