大棚温室环境监测系统设计方案.docx

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大棚温室环境监测系统设计方案

大棚温室环境监测系统设计方案

1.2国外的应用现状及趋势

1.2.1国外的研究现状

西方发达国家在现代化温室测控技术起步较早，借助其发达的科技力量，已实现了温室测控的自动化、智能化，并且应用到多个领域。

1949年，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抵抗能力的基础及应用的研究。

20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用与西方农业生产，70年代以后荷兰、日本、美国、以色列等国家的温室技术迅猛发展，温室设计应用到农业生产、畜牧业和水产养殖多个领域。

随着计算机和电子技术的飞速发展，近年来，温室大棚的自动监控和管理技术不断提高，在世界各地都得到了长足的发展。

目前，国外的温室的部设计已经达到了比较完备的程度，并且形成了一些标准。

温室的各种环境因子大多有计算机集中控制，各种传感器都比较齐全和成熟，不仅对温度、湿度、CO2浓度和光强进行检测，还可以对作物的营养液浓度等多种条件进行检测，各种控制技术也非常成熟，传感器和执行机构的结合程度非常高。

一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化和无人化的方向发展。

1.2.2国的发展现状

我国的温室技术起步较晚，20世纪70年代以前我国基本还停留的农业完全人工作业，70年代以后，国家大力发展以温室大棚为主的设施农业，促进农村经济发展和环节蔬菜季节性短缺的矛盾。

经过20多年的发展，我国的温室大棚已经具有规模化、专业化、管理水平高的特点，但是我国设施农业的自动化程度不高，走科学种植的道路却要人工实现，全国大多数大棚不具有自动控制设备，这与我国的经济条件所决定。

近年来我国大力发展农业现代化，一批生产自动化农业设施的厂家应运而生，但是现在这些设备还没有普及，原因又很多，农民自身知识水平不高不相信科学是一方面，经济水平也决定了我国的温室大棚自动化的道路任重而道远。

总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与西方发达国家相比还有一定的差距。

而我国的综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍停留在研究单个或者几个环境因素调控技术的阶段，而实际上温室环境中的温度、湿度、CO2浓度、光强等环境因子，都是在互相影响、互相制约的状态下影响植物的生长的，环境因素的时间变化、空间变化都很复杂。

因此，我国的现代化设施农业任重而道远。

1.3选题背景

在人类的生活环境中，温湿度扮演着极其重要的角色。

无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度和湿度打着交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。

温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。

我国人多地少，人均占有耕地面积更少。

因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。

温室大棚技术就是其中一个好的方法。

温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。

而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的环境监测便成为一个十分重要的课题。

传统的温湿度监测是在温室大棚部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。

另外俗称气肥的二氧化碳对农作物影响是双面的过高过低都会使作物生长受到影响，传统大棚种植经验缺乏对二氧化碳的关注。

现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度监测措施就显现出很大的局限性。

为温室大棚的建设对环境监测技术也提出了越来越高的要求。

今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。

单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。

时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。

采用单片机来对温度、湿度二氧化碳浓度进行监测，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以及时科学、精确的监测到温室大棚各项环境因素变化的技术指标，从而能够为及时调整、控制室环境提供科学依据，大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

因此，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。

因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚环境监测系统展开了应用研究设计工作。

1.4选题的现实意义

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，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施.但是，目前应用于温室大棚的温湿度检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，安装和拆卸繁杂，成本也高。

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。

另外目前的监测设施的终端都设在棚附近查看数据不方便不便于集中管理。

为了克服这些缺点，本设计采用数字传感模块采集数据、通过单片机处理后经无线收发模块实现数据远距离传输达到“遥感”的目的解决了上述问题。

本系统能够对大棚的温度、湿度、二氧化碳浓度进行采集，利用温湿度传感器、二氧化碳传感器将温室大棚温度、湿度、二氧化碳浓度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，再由单片机去驱动无线收发模块，最后通过USB与PC机连接来显示温室大棚的实际温度、湿度和二氧化碳浓度。

这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示。

该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。

这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对室环境数据的实时监测，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

2系统整体方案与硬件选择

2.1本案系统概述

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性；温湿度传感器、二氧化碳传感器可以产生数字信号；无线收发模块可以实现数据无线传输的性能。

此设计是以C8051F340单片机基本系统为核心，以无线数据传输为亮点的一套监测系统。

其中包括温湿度监测、二氧化碳浓度监测、单片机、无线传输电路、USB传输电路、PC显示窗口设计、电源电路设计等。

系统总体方框图如图2.1。

图2.1系统总体框图

本设计由数据采集、数据处理、数据传输、数据显示死部分构成的。

（1）数据采集由DHT11、TGS4160组成；

（2）数据处理由单片机C8051F340基本系统组成；

（3）数据传输由单片机C8051F340和NRF24L01组成；

（4）数据显示由USB、PC显示窗口组成。

本系统中DHT11是温湿度传感器采集大棚室温度、湿度信息。

输出数字信号。

TGS4160是二氧化碳传感器采集大棚室二氧化碳信息输出数字信号。

C8051F340（I）单片机驱动DHT11、TGS4160两个传感器进行信息采集并对采集到的信息进行处理，驱动无线发送模块NRF24L01将处理后的信息发送出去。

NRF24L01（A）是无线发送模块对C8051F340（I）所给的信号进行发送前处理并在C8051F340（I）的驱动下将适合在信道传输的信号发送出去。

NRF24L01（B）为无线接收模块其作用是在单片机C8051F340（II）的驱动下接收、处理NRF24L01（A）所发送的信号。

单片机C8051F340（II）驱动USB线缆传输最后所得信息并驱动PC显示窗口显示实时监测数据。

本系统电源模块为传感器、单片机供电，无线收发模块供电由单片机3.3V输出端提供。

下面将一一介绍简单硬件基本资料和选择该硬件具体原因。

（由于成本原因二氧化碳传感器用电位器代替）

2.2单片机的选择

2.2.1单片机概述

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。

“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。

1、单片机的主要特点有:

（1）具有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、可靠性高。

（3）控制功能强。

（4）低电压，低功耗。

2、单片机的主要应用领域:

（1）工业控制

（2）仪器仪表

（3）电信技术

（4）办公自动化和计算机外部设备

（5）汽车和节能

（6）制导和导航

（7）商用产品

（8）家用电器

因此，在本设计的环境监测系统中，采用单片机来实现。

在单片机选用方面，由于C8051F340系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用C8051F340单片机。

2.2.2、C8051F340介绍

C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，下面列出了一些主要特性：

·高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达48MIPS）

·全速、非侵入式的在系统调试接口（片）

·通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1KFIFORAM

·电源稳压器

·真正10位200ksps的单端/差分ADC，带模拟多路器

·片电压基准和和温度传感器

·片电压比较器（两个）

·精确校准的12MHz部振荡器和4倍时钟乘法器

·多达64KB的片FLASH存储器

·多达4352字节片RAM（256+4KB）

·硬件实现的SMBus/I²C、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口

·4个通用16位定时器

·具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）

·片上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器

·多达40个端口I/O（容许5V输入）

具有片上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340/1/2/3/4/5/6/7器件是真正能独立工作的片上系统。

FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。

用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

片SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片资源）、全速、在系统调试。

调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。

在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。

两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。

每种器件都可在工业温度围（-45℃到+85℃）用2.7V-5.25V的电压工作。

电源电压大于3.6V时，必须使用部稳压器。

对于USB通信，电源电压最小值为3.0V。

端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7采用48脚TQFP封装或32脚LQFP封装。

2.2.3CIP-51TM微控制器核

1与8051完全兼容

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器核。

CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、两个具有扩展波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、多达4352字节的部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及多达40个I/O引脚。

2速度提高

CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。

在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。

而对于CIP-51核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。

CIP-51共有111条指令。

下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系

执行周期

1

2

2/3

3

3/4

4

4/5

5

8

指令数

26

50

5

16

7

3

1

2

1

表2.2-1

3增加的功能

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7SoC系列MCU在CIP-51核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。

扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。

一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。

在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。

C8051F340/1/2/3/4/5/6/7有多达9个复位源：

上电复位电路（POR）、片VDD监视器（当电源电压低于VRST时强制复位）、USB控制器（USB总线复位或VBUS状态变化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护电路复位。

除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。

在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。

高速部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz±1.5%。

时钟恢复电路允许部振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式USB时钟源。

部振荡器还被用作低速方式下的USB时钟源。

外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用。

器件集成了一个低频振荡器，可以在功耗关键的应用中使用。

器件还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。

系统时钟可以被配置为使用部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。

如果需要，可以在CPU运行时切换系统时钟振荡源。

低频部振荡器或外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）的时钟源运行，当需要时再周期性地切换到高速时钟源。

2.2.4C8051F340结构

1.结构框图和系统框图

图2.2-2C8051F340系统框图

2、C8051F340的最小系统图

图2.2-3C8051F340最小系统图

C8051F340部含有数字和模拟资源可以通过40个I/O引脚使用，每个端口引脚都可以被定义为通用I/O（GPIO）或模拟输入。

P0.0～P3.7可以被分配给部数字资源。

设计者完全控制数字功能的引脚分配，只受I/O引脚数的限制。

这种资源分配的灵活性是通过使用优先权交叉开关译码器实现的。

不论交叉开关的设置如何，端口I/O引脚的状态总是可以被读到相应的端口锁存器。

本设计采用的是单片机C8051F340，该芯片部有12M的部高频振荡器，在出厂时已经校准，所以不需外接晶振，本系统只有单片机的P4口有外接上拉电阻，其他的都不外接上拉电阻，P0.0～P3.7可以通过跳过交叉端口来实现上拉。

2.3无线收发模块选择

nRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括：

频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。

输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。

几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。

极低的电流消耗：

当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

2.3.1性能参数

小体积，QFN204x4mm封装　

　宽电压工作围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入　

　工作温度围：

-40℃～+80℃　

　工作频率围：

2.400GHz～2.525GHz　

　发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm。

　数据传输速率支持1Mbps、2Mbps。

低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA。

　126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要　

　增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制。

　数据包每次可传输1～32Byte的数据。

　4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单。

可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度　

MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送。

2.3.2兼容性

nRF24L01可以兼容nRF2401A、nRF24L01+、nRF24LE1、nRF24LU1等无线模块。

nRF24L01+

nRF24L01+（或称nRF24L01P）是nRF24L01的低功耗优化版，同时增加了250Kbps通讯速率的支持。

nRF24L01与nRF24L01+之间可互用代码（除极少部分需要修改外）和互相通讯

nRF2401A

nRF2401A与nRF24L01和nRF24L01+之间可完成相互通讯，前提是它们之间必须工作在相同的工作模式下。

比如工作频率、传输速率、地址、数据包长度和CRC校验方式。

nRF24LE1

nRF24LE1、nRF24LU1也可以同nRF24L01之间完成通讯。

通讯建立条件同nRF2401A。

结合本系统实际情况本案选用nRF24L01无线收发模块。

2.4温湿度某块选择

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP存中，传感器部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单

排引脚封装，连接方便。

2.4.1DHT11性能

供电电压：

3.3~5.5VDC

　输出：

单总线数字信号

测量围：

湿度20-90%RH，温度0~50℃

测量精度：

湿度+-5%RH，温度+-2℃

分辨率：

湿度1%RH，温度1℃

互换性：

可完全互换，

长期稳定性：

<±1%RH/年

相对湿度和温度测量

全部校准，数字输出

卓越的长期稳定性

无需额外部件

超长的信号传输距离

超低能耗

4引脚安装

完全互换

DHT11温湿度传感器集成了温度传感器、湿度传感器，集成度更高，使用方便成本较低。

很大程度上简化了系统设计流程。

因此本案选用DTH11温湿度传感模块。

2.5二氧化碳传感器模块选择

ＴＧＳ４１６０二氧化碳传感器是ＦＩＧＡＲＯ（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。

这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性

可广泛用于自动通风换气系统或是ＣＯ２气体的长期监测等应用场合。

但是，由于ＴＧＳ４１６０的预热时间较长（一般为２小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。

此外，为了方便客户使用，ＦＩ-ＧＡＲＯ公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块ＡＭ－４。

该模块采用微处理器进行控制，ＣＯ２气体浓度的输出信号电平为０．０～３．０Ｖ，相当于０～３０００ｐｐｍ的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。

TGS4160传感器的主要技术参数如下：

测量围：

０～５０００ｐｐｍ；

使用寿命：

２０００天；

加热器电压：

５．０±０．２ＶＤＣ；

加热器电流：

２５０ｍＡ；

加热器功耗：

１．２５Ｗ；

部热敏电阻（补偿用）：

１００ｋΩ±５％；

使用温度：

－１０～＋５０℃

使用湿度：

５～９５％ＲＨ；

产品尺寸：

最大外径Φ２４ｍｍ，高２４ｍｍ，引脚长５．８ｍｍ。

TGS4160二氧化碳传感器是一种含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。

该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。

它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。

该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。

元件的层采用１００目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。

其外层顶盖上又罩上了一层６０目的不锈钢网。

为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。

传感器的６个引脚通过０．１ｍｍ的箔导线与部相连。

其等效的部结构见图１所示。

图中，阳极与传感器的第３脚Ｓ（＋）相连，阴极与传感器的第４脚Ｓ（－）相连，Ｐｔ加热器与传感器的第１，６脚相连，部热敏电阻与传感器的第２，５脚相连。

部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

图1TGS4160等效部结构

结合本设计实际情况本案选用TGS4160模块。

2.6终端数据传输方案

本案中终端数据传输是指数据接收终端（PC下位机）到显示设备之间的数据传输。

方案一：

采用串口传输

方案二：

采用USB线缆传输

考虑到USB接口设备的优点是即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个USB设备，不用担心USB加密锁与打印机等外设的冲突。

使用更方便。

综合本案特点所以选用方案二采用USB传输数据。

2.7终端显示方案

本案中的终端显示是指本系统的实时监测数据显示。

方案一：

采用液晶屏显示

方案二：

利用PC机窗口显示显示

PC机窗口显示具有造价低、使用方便、维护简单（比如可以多窗口显示便于系统集成等利于综合管理等）成本低廉等特点。

综合考虑本案采用PC机窗口显示方案。

2.8系统电源模块

考虑到c8051f单片机的供电电压要2.7V~4.2V，NRF24L01的供电电压要1.9V～3.6V。

为了尽量的节省成本提高电源效率和系统的低功耗。

因此本方案采取以下供电方案

1数据采集端采用AS1117_3.3V稳压芯片为整个系统供电（包含24L01）

2数据接收端采用USB_5V经AS1117_3.3V稳压芯片为整个系统供电

2.2.5AD转换电路模块

1、AD的原理及结构（此处DAC改为A