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农业生产远程温湿度监控系统的研究设计 　　0 引言 　　传统的农业生产环境一般都是分散且面积比较大的，如传统种植对环境的温湿度要求仅仅源于自然界四季温湿度变化。这种传统的种植方式局限于时令蔬菜，而对于反季节蔬菜的种植，就需要能控制温湿度变化的蔬菜大棚、温室等，特别是对温湿度要求非常精确的种苗培育室。传统的温湿度控制采用人工控制方式，耗费大量精力和时间，控制的精度反而很低，实时性非常差。比如，在加热机构出现故障短时间内温湿度发生剧烈变化时，人工无法及时做出反应，可能会造成严重的后果。为此，设计了一种采用多点温湿度采集、使用无线数传模块对温湿度进行实时监控及通过GPRS 模块将数据发送到远程客户端便于统计和集中控制的系统。由于采用无线数传模块，可以随时扩展温湿度采集节点，仅需要通过更改软件控制数量即可，并通过软件程序对环境温湿度进行实时控制，实现了无人值守及远程监控。 　　1 系统的硬件设计 　　本系统主要通过对各个节点温湿度进行监测，然后通过无线数传方式将数据传到主控制模块，主控制模块再通过GPRS 模块将数据发送到远程客户端中。控制过程可以通过主控制模块直接控制执行机构工作(如加湿器、暖风机及鼓风机) 等工作，也可以直接在远程客户端中更改控制策略。各个节点温湿度监测模块由AVR 单片机、NRF24L01 无线数传模块、温湿度采集模块及报警模块和电源模块构成;主控制模块由AVR 单片机、NRF24L01 无线数传模块、GPRS 模块、显示模块、控制模块和电源模块构成。为了节约成本和维护方便，主控制模块和节点温湿度监测模块的控制核心均由AVR 单片机ATmega8A 构成。 　　1. 1 控制核心ATmega8A 单片机 　　本设计采用ATmega8A 单片机，其内部集成了大容量的存储器，具有丰富的硬件接口，支持SPI、TWI(兼容I2 C 协议) 协议。由于采用TQFP 封装，其功耗和成本大大降低。其片内具有8k 字节的FLASH 存储器、512 字节EEPROM 存储器和1k 字节的片内SRAM存储器。由于采用先进的RISC 架构，在16MHz 的工作速度下性能高达16MIPS，支持在系统编程ISP，无需专用高压编程器，方便在电路板上调试和维护。ATmega8A 的最小系统电路原理图。 　　1. 2 温湿度采集模块 　　为了达到一定精度和可靠性，本系统采用独有的工业化CMOSens 技术的SHT1x 家族中的SHT11 作为温湿度采集的传感器。SHT11 属于Sensirion 温湿度传感器家族中的贴片封装系列，采用专利的CMOSens技术，将传感元件和信号处理电路集成在一个微型PCB 上，通过14 位A/D 转换器将模拟量转换为数字量(传感器默认测量分辨率为温度14 位，湿度12 位，湿度8 位，处理速度提升更加明显)，可同单片机通信采用标准的I2 C 协议进行通信，其温度测量范围是- 40 ～ + 123. 8℃，默认分辨率是0. 01℃;湿度测量范围是0 ～ 100%RH(相对湿度)，默认分辨率是0. 03%RH。微处理器包含了非线性和温度补偿，使测量结果更加精确、具有处理速度快及抗干扰性能强等优点。SHT11 采集的温湿度数据通过I2 C 协议和AVR的TWI 接口通信( 见图3)，将数据保存在AVR 单片机的EEPROM 里，保证数据在系统掉电和异常情况下不丢失;AVR 单片机再将数据整理后通过无线数传模块向主控制模块发送该节点的温湿度情况。 　　1. 3 无线数传模块 　　无线通信解决方案有很多种，大型复杂系统可以使用ZigBee 技术来实现无线通信，但是结构复杂，路由设置繁琐，维护不方便;小型系统可以使用无线数传模块实现电子设备间的通信，软件设置简单，调试方便。本设计中采用NRF24L01 无线数传模块实现无线通信。 　　NRF24L01 的工作频段是在2. 4GHz 的ISM 频段工作的，此频段是开放的，无需申请许可证即可使用。通过改变天线形式，发射和接收距离可以达到1km 甚至更远，保证了分散式的农业生产正常工作，改善了传统布线的高成本的问题。由于NRF24L01 采用跳频技术，抗干扰性能良好，特别是它具有6 个数据交互式通道，如果只接收不应答，那么这个通道可以扩展到126 个之多，满足本设计中提出的多点通信和扩展的要求，即增加节点模块只需更改软件。 　　NRF24L01 和AVR 单片机通信采用SPI通讯协议，最高速率可达8Mbps。由于ATmega8A 自带SPI 通讯端口，方便通信和连接，硬件可靠性比传统模拟SPI 时序接口要高很多。 　　1. 4 GPRS 模块 　　在主控制模块中还需要配置