基于无线传感器网络的温室大棚监控系统的设计

摘 要：本文设计了基于无线传感器网络和ARM7微控制器芯片的温室大棚环境参数的信息采集系统。通过在大棚内布置各种传感器节点，并通过NRF905无线收发芯片，将采集到的信息传至控制中心，实现了远程无线监控。本系统具有功耗低、精度高、使用简单、可扩展性强等优点。

关键词：无线传感器网络；ARM7微控制器；低功耗；温室大棚监控系统

温室大棚里的环境参数的控制，是农作物正常生长的关键因素，直接影响最终的产量高低。传统的测量温度、湿度、光照等参数的方法，经过长期使用，暴露出很多缺点。如温室内的复杂布线及控制设备为农作物的播种、施肥等活动带来极大不便。随着网络技术，尤其是无线传感器网络技术的发展，将无线传感器网络应用的温室大棚中，弥补的传统测量方法的不足，提高了工作效率，同时也可以实现远程实时监控。

1 系统总体设计

本课题，将无线传感器网络应用到温室大棚的环境监测中，从软硬件方面都做了系统的设计，并通过proteus仿真软件验证了改系统的可行性。图1是本系统的总体框图。

主要包含四部分，远端数据采集与处理模块、数据接收/发送模块和上位机控制中心。测量节点由各种传感器组成，包括温度、湿度、光照传感器，用来测量温室中的各种环境参数；数据处理节点是由微控制器控制信息数据的接收与传送，一个微控制器能够控制传感器的数量有限，所以数据处理节点也需要根据实际需要设置多个；数据接收模块通过射频收发器控制数据的接收与发送；上位机控制中心，主要负责信息数据的处理和发送控制信息；通过远程控制中心，可是实现远程实时监控。

2 硬件设计

本系统硬件设计需要实现的几大模块包括：传感器的布线、传感器与微控制器的硬件连接、微控制器与无线通信模块的硬件连接。

2.1 传感器与微控制器的硬件连接

本系统中，温度传感器采用DS18B20数字温度传感器芯片，湿度传感器采用SHT75数字湿度传感器，光照传感器选用BH1750芯片，微控制器选用ARM7系列的LPC2124芯片。

2.1.1 DS18B20与微控制器的硬件连接

DS18B20是由美国DALLAS公司生产，具有体积小、耐磨耐碰、接口电路简单、价格便宜等特点。DS18B20数字温度传感器的供电方式有两种：一种是寄生电源供电，DS18B20通过与微控制器连接的信号线汲取能量，满足自身需求，不需外接电源，电路简单；一种是外部电源供电，即通过外加电源的方法为DS18B20提供正常工作所需的能量，这种电路存在电源及时更换问题和电源寿命问题。本系统采用寄生电源供电，如图2。与温度控制器的连接电路如图3所示。

2.1.2 湿度传感器SHT75与微控制器的硬件连接电路设计

SHT75数字湿度传感器是瑞士Secnsirion公司生产，采用了CMOS技术测量精度高、体积小、功耗低等特点。外部引脚非常简单，分别为GND、VCC、DATA和SCK引脚。与微控制器的连接电路如图4所示

2.1.3 光照传感器BH1750与微控制器的硬件连接电路设计

BH1750是一款I2C接口的数字式光照测量传感器。与微控制器的连接电路如图5所示。

2.2 微控制器LPC2124与无线收发芯片NFR905的硬件电路设计

NFR905由Nordic公司生产，可工作于433/868/915MHZ3个ISM免费频段。通过SPI接口与微控制器通信。具有功耗低、传输速度快、使用简单等特点。与微控制器连接的硬件电路如图6所示。

3 软件设计

本系统的软件设计包括：远程传输模块；无线接收、发送模块；上位机程序设计模块。整体框图如图6所示。

3.1 测量节点程序设计

3.1.1 读取温度信息

微控制器读取DS18B20测量的温度信息需要执行两个工作周期，第一个工作周期内，微控制器向DS18B20发送温度转换命令，DS18B20正常工作情况下进行温度转换操作；第二个工作周期进行温度读取操作。需要注意的是，每个工作周期执行之前，微控制器都要先向DS18B20发送低电平信号，使DS18B20复位，再发送其他指令。由于微控制器的一天I/O线上连有多个DS18B20，因此在设计程序时还要有判断是读一个温度传感器信息，还是去单条线路上所有温度传感器信息。程序流程图如图7所示。

3.1.2 读取湿度信息

微控制器与湿度传感器SHT75只有两个引脚相连，因此控制程序也相对简单。在读取温度之前要确保SHT75处于连接状态，否在先触发SCK时钟信号一次，使串口复位。发送读取数据指令之后，为控制器要反复查询DATA引脚，直到DATA引脚为低，说明数据传送完毕，同时读取两字节数据。程序流程图如图8所示

4 结论

文本针对目前温室大棚环境控制非自动化，多数还处于人工操作阶段等问题，提出并设计了基于无线传感器网络的温室大棚环境监测系统，有效解决了环境数据不能及时获取、监测系统功耗大、不能进行远程监控、系统成本高体积大、妨碍农作物生长等问题。但还是存在一些问题，如传感器节点能量供给问题，传输距离短等问题，需要在今后的工作中继续研究。

[参考文献]

[1]杨明慧，杨鹏，史旺旺.基于无线传感器网络大棚监测中湿度节点设计[J].仪器仪表用户，106-108.

[2]郝毫毫.基于无线传感器网络的大棚环境参数采集系统[J].电子设计工程，第1期70-73.

[3]高之圣，王海燕.低功耗无线传感器网络节点温室大棚监控系统的设计[J].微处理器与可编程控制器，73-75.