基于WIFI的智能温室监控系统设计

图 3 DHT21 接线图
3． 3 光照采集模块 光照传感器选用 on9658，它是一个光电集成传感
器，暗 电 流 小，低 照 度 响 应，灵 敏 度 高，电 流 随 光 照 度 增强呈线性变化； 内置双敏感元接收器，自动衰减近 红外，光谱响应接近人眼函数曲线； 内置微信号 CMOS 放大器 、高精度电 压 源 和 修 正 电 路 ，输 出 电 流 大 ，工 作 电压范围宽，温度稳定性好； 可选光学纳米材料封装， 可见光透过 ，紫外 线 截 止 ，近 红 外 相 对 衰 减 ，增 强 了 光 学滤波效果。典型入射波长为 λp = 520nm，可见光范 围内高度敏感。研究表明，波长为 400 ～ 520nm（ 蓝） 的光照对叶绿素与 类 胡 萝 卜 素 吸 收 比 例 最 大 ，对 光 合 作用影响最大，所以 on9658 相对于典型波长为 800nm 左右光敏二极管测量更准确。On9658 工作电压 Vdd 为 2． 4 ～ 12V，响 应 时 间 为 2μs； 温 度 范 围 － 20 ～ 75℃ 。 接线如图 4 所示。
1 WIFI 介绍
WIFI（ Wireless Fidelity ） 技 术 即 IEEE /802． 11 协 议，WIFI 无线网络是由 AP（ Access Point） 和无线网卡 组成 的 无 线 网 络，组 网 方 式 较 为 简 单，主 要 技 术 优 点 是无线接入、高 速 传 输 以 及 传 输 距 离 远。 其 中，IEEE 802． 11a 与 IEEE 802． 11g 的最高速度为 54Mbps，在开 放性区域通讯距离可达 305m，在 封 闭 性 区 域 通 讯 距
统上建立的数据采集部分、算法处理部分、数据通信 4． 1． 2 算法处理部分
部分及人机接口部分； 上位机软件系统主要包括通信
为排除干扰 因 素 的 影 响，采 用 了 平 均 滤 波 法，对
模块和数据库模块。
采 集 到 的 数 据 进 行 筛 选，忽 略 异 常 数 据，并 对 采 集 的
4． 1 下位机软件
数据和前 4 次采集到的数据取平均值。研究表明，温
所设计的下位机软件系统是在实时操作系统 uC / 室作物的生长并不是取决于某一时刻的温度，而主要
OS － Ⅱ的支持下构建的。uC / OS － II 只是一个实时操 取决于在一个时间段中的平均温度水平。系 统 并 不
作系统内核，它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间 设置一个固定的温度值 ，温室中的温度在最高和最低
图 1 系统结构
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农机化研究
第2 期
3 系统硬件设计及原理
系统硬件以 GS1010 低功 耗 模 块 为 核 心，包 括 基 本供 电 电 路、人 机 接 口 部 分、传 感 器 采 集 部 分 以 及 输 出控制部分，基本结构如图 2 所示。
3% RH（ 温度在 25℃ ） ，± 5% RH （ 温度在 0 ～ 50℃ ） ， 可以替代 SHT10 和 SHT11。接线如图 3 所示。
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测试电流应控制在 1pA 以下，电压信号再经过滤波和 放大［3］，直 接 与 GS1010 模 块 的 A / D 转 换 接 口 相 连 接。 3． 5 人机接口模块
人机接口选用 ZLG7290 芯片是周立功公司针对 仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。在具体 应用 过 程 中，它 接 收 所 要 显 示 的 数 据，并 将 其 显 示 在 LED 显示器上。该芯片能自动完成 8 位 LED 数码管 的动态扫描和（ 最多） 64 按键检测扫描。该器件本身
温湿度传感器 采 用 国 产 数 字 化 的 DHT21。它 是 一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器， 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与卓越的长期稳定性。传 感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件， 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。校准系数 以 程 序 的 形 式 储 存 在 OTP 内存中 ，传感器内部 在 检 测 信 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 20m 以上。DHT21 为 4 针单排引脚封装，连接方便， 供电电压 5V，温度分辨率 0． 1℃ ，16bit，精度 ± 0． 5℃ ，测 量范围 － 20℃ ～ 60℃ 。湿度分辨率 0． 1% RH，精度 ±
0 引言
目前，我国传 统 农 业 处 于 向 优 质、高 效 和 高 产 的 现代化农业转化过程中，温室栽培体现了现代农业发 展的方向 。 依靠先进 的 科 学 技 术 ，对 温 室 内 的 环 境 因 素进行监测和控制 ，才 能 给 温 室 内 的 作 物 提 供 最 佳 的 生长环境，而现在的温室控制系统大多是 PLC 温室控 制和 现 场 总 线 控 制，这 些 系 统 存 在 操 作 不 方 便、接 线 不灵活和 成 本 过 高 等 缺 点。为 此，设 计 了 基 于 WIFI 的智能温室控制系 统 ，传 感 器 系 统 采 集 系 统 参 量 与 需 要的参量值进行对 照 ，并 采 用 相 应 的 算 法 进 行 计 算 后 输出 ，对加热系统 、降 温 系 统 、加 湿 系 统 、通 风 系 统 、光 照系统和二氧化碳喷施系统等进行控制。温室控制 系统以上位机作为 监 控 系 统 ，上 位 机 与 下 位 机 采 用 无 线连接 ，从而实现 更 灵 活 的 接 线 。 监 控 系 统 将 采 集 到 的数据进行汇总 、显 示 和 记 录 ，自 动 生 成 数 据 库 ，实 现 了温室设备的自动控制和远程遥控。
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基 于 WIFI 的 智 能 温 室 监 控 系 统 设 计
马 增 炜 ，马 锦 儒 ，李 亚 敏
（ 河 北 农 业 大 学 机 电 工 程 学 院 人 工 智 能 研 究 中 心 ，河 北 保 定 071001 ）
摘 要： 设 计 了 一 套 以 集 成 了 WIFI 功 能 和 ARM 内 核 的 SoC 芯 片 GS1010 为 核 心 的 智 能 温 室 环 境 控 制 系 统 ，实 现
图 5 ZLG7290 接线图
4 Fra Baidu bibliotek统软件设计
感器（ 其中 DHT21 的时序是必须要注意的） 、光敏传 感器以及 CO2 浓度传感器数据的读取。根据传感器
系统的软件部分主要包括上位机软件系统和下位 的响应时间，设定 CPU 芯片内的定时器在不同时间中
机软件系统。其中，下位机程序主要是在实时操作系 断，采集数据，并将数据存储在指定存储器中。
离为 76 ～ 122m，方便与现有的有线以太网整合，组网 的成本更低［1］。WIFI 设备使用的频段为 2． 4 ～ 2． 483 5GHz 的免 许 可 频 段，在 频 率 资 源 上 不 存 在 限 制，因 此 使 用 成本低廉也成为了 WIFI 技术的又一大优势。通常将 AP 称为网络桥接器或接入点，将能搜索到 WIFI 网络 的地方称为热点区 域 ，任 何 一 个 装 有 无 线 网 卡 的 终 端 进入 WIFI 覆盖区域均可以通过 AP 来无线高速接入 英特网。与目前国内已经比较普及的 802． 15． 4 标准 和 ZigBee 网络比较，WIFI 是更成熟的技术，在设备互 操作上具备明显优势。
收稿日期： 2010 － 04 － 13 作者简介： 马增 炜 （ 1983 － ） ，男，河北邯郸人，在读 硕 士 研 究 生，（ E －
mail） zorrer12@ 126． com 。 通讯作者： 李 亚 敏 （ 1958 － ） ，男，河北保定人，教授，博士，（ E － mail）
liym545@ hebau． edu． cn。
2 系统总体设计
以 GS1010 模块为核心，组 成 温 度 采 集 和 控 制 操 作的 终 端，用 于 温 度 和 湿 度 等 数 据 的 采 集 、存 储 和 传 送 ，并执行控制指 令 。 下 位 机 传 感 器 系 统 采 集 系 统 控 制的参量，对 数 据 进 行 处 理 后 输 出 控 制 信 号 到 执 行 器。以 PC 机为上位机，负责对各终端机采集到的温 度数据进行汇总 和 分 析 ，发 送 控 制 指 令 。 用 户 可 以 直 接通过上位机设定下位机的控制参数，如图 1 所示。
图 2 温度控制器硬件框图
3． 1 系统核心模块 系统以 GainSpain 公 司 设 计 的 SoC 芯 片 GS1010
为核 心，包 含 一 个 802． 11 射 频 前 端、媒 体 控 制 器 （ MAC） 和基带处理器、片上 FLASH、片上 SRAM 以及 1 个 ARM 核处理器。为了加快进度，设计采用成都无 线龙通讯科技有限公司设计的 GS1010 低功耗模块， 其主要特性 如 下： 无 线 协 议： IEEE 802． 11 b / g 兼 容； 射频工作频率： 2． 4 ～ 2． 497 GHZ； 实时时钟控制器 / 看门狗 定 时 器，可 编 程 事 件 报 警 定 时 器； I / O 口： GPIO，UART，I2 C，SPI，PWM，ADC； 安 全 机 制 （ 802． 11i） ： 共享密钥身份验证（ WPA2 － PSK） ，AES 硬件加 密； 标准： 802． 11i / k / e / d ，IEEE1588［2］。模块供电电 源是 1． 8V，看门狗工作电池电压是 1． 2 ～ 3． 6V，应用 处理器 32 位 ARM 单片机，工作时钟频率 44MHz； 实 时时钟震荡周期 32kHz。 3． 2 温度和湿度采集模块
了 通 过 无 线 网 络 对 智 能 温 室 内 温 湿 度 、光 照 和 CO2 浓 度 的 监 测 与 调 控 。 监 控 系 统 将 采 集 到 的 数 据 进 行 汇 总 、显
示 和 记 录 ，自 动 生 成 数 据 库 ，实 现 了 温 室 设 备 的 自 动 控 制 和 远 程 遥 控 。 整 个 系 统 操 作 简 单 ，经 济 适 用 ，控 制 精 度
图 4 On9659 接线图
3． 4 CO2 浓度采集模块 CO2 浓度的采集选择国产的 MG811 型 CO2 气体
传感器。半导体气体传感器采用金属氧化物半导体 烧结 工 艺，对 被 检 测 的 检 测 气 体 具 有 灵 敏 度 高 、响 应 时间短 、成本低 、长 期 稳 定 性 好 等 优 点 。 小 尺 寸 ，低 成 本； 长寿命，低功耗； 对 CO2 气体具有高选择性； 测量 范围： 0 ～ 10 000 × 10 －6 ； 响应时间小于 60s； 恢复时间 小于 90s。由于需要外接加热电路，需要较高的功率。 元件测量时，放大器阻抗必须在 100 ～ 1 000GΩ 之间 ，
完 全 达 到 要 求 ，并 且 接 线 灵 活 ，方 便 与 现 有 的 有 线 以 太 网 络 整 合 。
关 键 词 ： 智 能 温 室 ； 监 测 ； 控 制 ； WIFI ； GS1010
中图分类号： TP274 + ． 2； S126
文献标识码： A
文章编号： 1003 － 188X（ 2011） 02 － 0154 － 04
只需 2 根线就可与 GS1010 模块的实现接口，硬件连 接简便，软件编程容易。尤其用在 CPU 担负繁忙数据 处理任务的 系 统 中，可 节 省 CPU 用 于 显 示 扫 描 的 时 间，更显出其优越性。I2 C 串行接口提供键盘中断信 号，方便与处理器接口； 可驱动 8 位共阴数码管或 64 只独立 LED 和 64 个按键； 无需外接元件即直接驱动 LED，可扩展驱动电流和驱动电压。系统需要 16 只按 键和 8 位 LED 显示，接线如图 5 所示。