温室的无线温湿度监测系统应用

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1、温室的无线温湿度监测系统应用摘要：温室里的作物生产是农业领域里越来越多的产业。所有对温室环境控制和监测的措施是一些作物生产和保护的重要组成部分。正如你所知，在温室里最重要的变量是温度和相对湿度。本文针对温室环境里不同距离的温湿度的传感和监测提出新的不同的方法。本文采用的网络结构是星型拓扑结构。它由至少一个传感器节点，一些重复的节点，一个主节点，PC终端，MySQL，Web服务和实时报警系统。基于该系统，环境参数能被检测和监控。一旦报警系统监测到参数曲线显示异常，报警系统会通知班长来采取一些行动。与其他先前提出的系统相比，其优点是感应距离可以根据用户的需求设置。虽然无线收发器的距离收到电池电量的

2、限制，只有1.26M，每个节点可以增加距离1.26M。总距离可以计算为1.26M 1 + N（重复节点）。实验结果表明，该系统具有低功耗，网络分布简单，易于维护。关键词：农业，温室，无线传感网络，温湿度一、介绍该系统包括传感器节点，重复的节点，主节点，PC终端，MySQL，Web服务，一个实时报警系统。传感器节点包括HMZ-433A1模块，PT100传感器模块，笙泉8051单片机，无线收发模块NRF2401l。传感器节点采用单片机控制，其主要工作是收集温度和湿度的检测数据，利用单片机实现A/D转换器，通过射频装置发送无线信号。主节点用于接收无线信号并通过RS232接收数据传送到PC终端。在PC

3、端，微软VisualBasic（VB）语言是用来编程获得来自RS232的数据和得到有用的信息。然后PC终端将有用的信息发送到MySQL。基于记录在MySQL的数据，Web服务将绘制一个曲线显示有限的时间里温度和湿度是如何变化的。同时，Web服务也从固定在传感器节点的Web摄像机显示视频来监测它。当曲线变化异常，报警系统就会通过电子邮件向工作人员发出报警通知，手机短信，或者主机系统可以触发喷雾系统，打开通风口，打开风扇或控制各种各样的系统响应。整个系统结构将在第二部分中显示，整个系统的原理也将在这一部分说明。整个系统的数据流程图也将被这部分显示和说明。在第三部分，整个系统的每一部分都给出具体介绍

4、。传感部分将在第三部分的A部分进行介绍。温度读取电路以及温度和电压之间的关系的功能将在这部分的介绍，同时，在这一部分中，温度检测和湿度检测的具体方法也将进行说明。无线收发部分将显示在第三部分的B部分。在这一部分，具体的发送和接收数据的流程图会显示出来。将会通过单片机进行控制原理的说明。在第三部分的C部分，我们将介绍如何使用RS232使主节点与PC终端进行通信。然后分析数据包，获得有用的信息。最后，有用的数字信号将被传输到MySQL，整个过程包括如何制作MySQL将在第三部分的D部分进行说明，同时，Web服务和报警系统也将在本部分说明。最后的结论将在最后一部分。本系统的最终评估将在第四部分显示。

5、我们将介绍（与他人比较系统，包括效果，如报警系统，结果分析）。二、 系统总体设计在温室里，最重要的参数是温度和湿度。每一种作物有自己舒适的环境。由于精确性和健康的关系得到越来越多的人的赞成，在温室培养里，控制这两个参数变得越来越关键。在本文中，我们使用一个传感网络拓扑来传递温室参数，使用数据库和Web服务在一定的时间里记录参数。最后，基于Web服务绘制的曲线，如果曲线变化异常我们可以开始报警系统。图1 无线传感系统的原理无线传感网络（WSN）由很多传感节点和一个主节点组成。检测数据将通过无线设备被发送，在主节点接收器将接收到无线信号。PC可以通过RS232使用VB来编程来读取数据。已被读取的数

6、据将被解码，有用的信息将被存储到数据库。PC将使用Web服务上传数据到互联网。整个系统架构如图1所示。无线数据传输的格式如图2所示。有效负载缓冲区用于存储无线传输数据。有效负载缓冲区有32个字符型数据；每个字符型数据占用8个字节的数据。在本文中，我们首先需要编码测量的数据存进一个缓冲区，它通过无线通道传输。当接收到无线信号，我们将编程通过RS232从主节点获得有用的信息。传输的数据存在于节点名称，温度值和湿度值。每个字符型使用一个ASCII码显示，每个ASCII码占8位数。各部分之间存在一个逗号。因此有两个逗号存在以及一个末端输入符号。第一部分占据两个单位，它们被用来象征节点名称“NX”。第二

7、部分占四个单位，格式如“XX，X”。它是用来标志温度值。最后一部分是用来象征湿度，特定的格式如“X，XX”。所以整个无线传输的格式是“NX，XX.X，X.XX”。图2 无线数据传输格式两个节点的结构如图3所示。传感节点主要由三部分组成：传感器部分，单片机部分和无线收发器部分。主节点主要由无线接收器和单片机组成。他们通过无线通道与彼此沟通。图3 两个节点的结构三、 各部分的介绍A. 传感器部分传感器节点的结构是如图4所示。核心控制器，笙泉8051单片机，控制传感器模块来检测温室环境，控制射频设备来发送。当然，还为单片机提供外部时钟和为整个电路提供电源模块。从传感模块获得模拟检测数据后，数据将送入

8、单片机的模数转换器模块，从模拟数据转变为数字数据。最后转换的数字数据传输到有效负载缓冲区，通过射频模块2.4GHZ NRF2401L+传输。单片机通过SPI串行口控制射频设备。在传感模块有 HMZ-433A1和PT100两个模块。每个模块有自己的读出电路。HMZ-433A1用于检测湿度参数和PT100用于检测温度参数。每个模块的介绍如下。图4 传感节点的结构由单片机控制的主节点的整个数据流程图如图5所示。在初始化整个传感器节点和配置射频器件进入发射模式后，定时器1将用于计数器。当我们初始化单片机，我们设置TH0和TL0等于零，所以在0.2秒之后中断定时器0启动。中断程序将被执行。经过16次中断

9、，温度值和湿度值的平均值将被计算并对节点的名称和平均值将被编码存进一个有效负载缓冲区，用以传输。考虑到运行过程中采集参数，计算平均值和再次发送无线信号，在最后一部分中，我们需要明确有效负载的缓冲区，明确RF状态寄存器以及设置中断请求等于1。当我们把实验参数每两秒钟测试一次，我们发现参数变化不稳定。为了获得一个稳定值，我们只在16个定时器中断和传输其他信息的平均值后计算平均值。图5 传感器节点数据流程图特定传感器节点的PCB电路如图6所示。它由单片机，无线模块，电源模块，外部晶体和一些接口组成。使用这些模块可以完成采样参数，计算平均值，并发送无线信号。单片机主要用于控制整个时间序列，包括定时器/

10、计数器，中断，采样，计算平均值，发送无线信号等。外部模数转换器接口用以连接相应的读出电路的传感器，用于采集采样参数的电压。射频装置用于发送无线信号，其频率为2.4GHz。在使用本装置前，我们应该配置设备作为发送设备以及设置接收地址和发送地址。图6 传感器节点印刷电路板B.温度检测温度检测元件是PT100装置，温度检测范围从-200到650。它有一点偏差，响应时间短，抗振性能，稳定性好，精度高等特点。相应的读出电路如图7所示。图7 PT100读取电路图7，我们使用 LM324A两级放大器。该放大器是一种廉价的差分放大器，其输出电压范围从3.0V至32V或16V。表1中，我们给出了每个放大器的输出

11、电压范围以及保持电压连续变化。随温度变化的输出电压随着电阻值变化。每个输出电压方程如下：Vo1 = 31/3 R(PT100) (1+ R(PT100) - 1/3;Vo2 = 6.8817 - 6.8182 Vo1;表1 PT100读取电路的每个放大器的输出电压我们是使用改变连续温度时测试得到的输出电压的方法来测试读出电路。在图中我们给出了电压随温度变化的曲线。同时，我们也给出了与连续温度变化对应的热敏电阻值。图8 PT100读取电路的温度和输出电压之间的关系因此，最终随温度变化的输出电压显示如下：（T=温度）C.湿度检测湿度检测部分是HMZ-433A1，这是湿度和温度混合传感模块。我们只使

12、用湿度传感模块。湿度感测模块包括传感器部分和相应的读出电路。输出电压与湿度的关系如图9所示。电压是连续变化的。我们可以发现，湿度在不同的温度几乎是相同变化的。显示的线性是好的，40%和85%之间的线性度是最好的。最后我们可以得到公式：V o =（1 / 30.3）湿度（相对）。图9 输出电压与相对湿度的关系集成在单片机的逐次逼近型A/D转换器拥有10位精度和8个通道。在多路输入端口，有一个采样和保持电路，它可以传输模拟信号到比较器的输入端口。在比较器的输出端口，被处理后的数据将被送入逐次逼近的操作。最后的检测数据将通过被嵌入的传感器节点的射频装置NRF24L01发送。D.接收部分和后处理主节点

13、用于接收无线信号并通过RS232发送数字数据到PC终端。电源是由USB提供，我们使用LDO将5V变换至3.3V。主节点主要由笙泉 8051单片机，收发器和USB-RS232接口组成。主节点PCB电路和数据流程图如图10所示。电路中还提供了外部时钟晶体。一旦配置程序下载到单片机和射频装置，整个主节点将被配置为无线接收机。初始化面板和配置后，收发器总是等待中断请求被设置为0。一旦中断请求被设置为0，无线数据将被存储到有效负载接受缓冲区。单片机将检测到该信号并读取缓冲区。当单片机完成读取缓冲，中断请求将被设置为1，有效负载接受缓存区也将被清除。所有这些行为都是用于重新接收无线数据。图10.主节点的印

14、刷电路板和相应的数据流程图当主节点接收无线信号，数据将通过串口由程序传送到PC端。PC将使用VB来编写程序获得一系列端口信息和编写一个窗口来显示如图11所示的密集的端口信息。我们需要设计工具盒，将一系列串口分类。我们假设在这里使用四个节点。格式如下：“N1: 温度: xx.xx 湿度: xx.x”我们设计按钮满足不同的功能，如我们将选择使用哪个COM端口，运行的COM端口，节点N显示相应的传感器节点的信息等。最后，信息将被解码，重要的数据将发送到MySQL。在接下来的D部分，我们将介绍MySQL。图11 使用VB编程的窗口显示串口信息当我们从PC端得到数据，信息将被解码。重要的信息将被存储到M

15、ySQL。实际上，解码的信息将按类别分布。图12显示记录在数据库中的重要信息。r_id是用于记录在不同时间的不同信息的顺序。如你所见，节点的信息在右栏记录。温度和湿度值在中间栏记录。值是稳定改变的。图12。在数据库信息中记录重要的解码信息考虑到方便和有效性，我们将报警系统添加到整个项目。首先我们需要设计和实现MySQL数据库。数据库中的关系结构如图13所示。我们参照数据库数据绘制图表，最终的结果和图14显示的节点1的温度监测数据一样。数据被记录并在有限的时间里被绘制，数据变化稳定。图13 数据库中的结构关系图14 节点1的温度监测然后，当曲线变化异常，系统会自动发送消息通知用户，在一个给定的温室的温度或湿度高于或低于一个阈值。具体的通知规则被视为一个过滤器，一旦曲线变化超过或低于某一阈值，发送消息。四、 结论本项目完成了温室的无线检测温度和湿度的设计和实施。成功的完成了两个传感器节点和一个主节点的无线通信、上传检测数据到MySQL、绘制测量曲线和报警系统。该系统的局限性是我们采用星型拓扑结构，没有重复节点用于扩大传输距离。但是一旦添加重复的节点，系统功耗增大。而该系统是电池供电系统，所以他们可以在虚拟环境中被解决。未来的工作是试图改善拓扑结构使所有节点互相通信。基于良好的拓扑结构，损失数据的现象会减少。