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安徽工业大学-分布式温室环境监测与控制系统

专家
2014-03-11 11:54:31    评分

作者:安徽工业大学 宛传友 唐国成 李自信

指导教师:武卫华


  作品简介

  开发背景:温室空气及土壤的温、湿度环境参数对室内环境影响极大,人工监测不仅费时费力、效率低、误差大,而且控制困难。本项目采用分布式结构,灵活运用多个传感器采集温室各点环境参数并进行实时调节控制,同时通过无线通信模块上传数据实现大容量存储并应用LABVIEW构建上位机监控平台。该系统具有广泛的应用前景及较大的市场推广潜力。

  结构说明:系统采用分布式结构,设计了4个位于温室中不同位置的采样点,每个监测节点采用STC12C5A60S2单片机作为控制器,运用DHT11传感器采集空气温湿度,运用DS-18B20及水分传感器采集土壤温湿度,每隔10分钟进行一次环境参数采集及显示,根据设定阈值实时调节风扇、喷淋及卷帘等控制器动作,同时利用NRF24L01无线模块,将各节点数据上传存储并利用上位机实时监控,实现了温室空气和土壤温湿度的报警及控制,并能灵活根据用户设置的环境条件要求进行相应温室内相关区域的温湿度调节。系统结构如图1,2所示。

  图2 上位机

  功能与使用说明:

  (1)功能:监测温室环境监测与控制,并通过上位机显示。

  (2)使用说明:开机系统上电复位,4个位于温室当中不同位置的采样点,就开始采样空气的温度和湿度、土壤的温度和湿度,实现了温室中空气和土壤温湿度的监测和控制并显示,同时将数据发送到上位机上,进行监控。

  作品特色:

  (1)每个监控节点配备一个1602液晶显示屏,这样方便人员实时监控和了解每个节点的具体数据参数。

  (2)使用上位机,实现了数据的实时存储,并且在意外掉电24小时之内能够保持这些数据,管理人员只要坐在上位机前面就能知道每个节点的具体数据。

  (3)监测节点与主机之间全部是通过无线方式发送和接收数据,这样避免了布线的麻烦,同时减少了工作量。

  (4)主机采集到四个节点的数据之后,通过串口通信将数据传送给上位机,上位机将采集到的四个节点的数据,实时保存在每个文件里面,并将这些文件保存到360网盘。

  (5)成本低,具有推广性和广阔的市场应用前景。


  平台选型说明

  由于STC12C5A60S2芯片价格便宜,应用范围广,功能强大,高速运转,低功耗,强抗静电,强抗干扰,内部集成AD转换、双串口等模块,功能强大,所以选用增强型STC12C5A60S2单片机。


  设计说明

  设计方案与设计原理:本系统以STC12C5A60S2单片机最小系统模块,DHT11温湿度传感器和DS-18B20数字温度传感器、NRF24L01无线模块,以及上位机电脑和液晶显示屏作为显示器件组成整个系统装置。系统总体方案图如下图所示:

  图3 系统总体方案图

  1、上位机模块:上位机是一台可以发出特定操控命令的计算机,通过操作预先设定好的命令,将命令传递给下位机,通过下位机来控制设备完成各项操作。

  (1)上位机在系统中的位置:处于网络层中,与嵌入式网关通过网线相连。实际应用时是放置在实验室的老师工作台上,供实验室的老师使用。

  (2)上位机的功能:此软件实时监视实验实中每个实验台的状况,包括上电或断电状态,实验台是否发出了警告,是否发出了求助信号,并对这些信号做出应答,还控制LED屏的文字显示。

  (3)上位机的设计实现: 此软件主要有两部分组成,数据收发部分和显示部分。

  2、无线发射模块nrf24l01

  nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz~2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时,工作电流也只有9 mA;接收时,工作电流只有12.3 mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。

  图4 NRF24L01无线模块原理图

  3、空气温度和湿度检测模块DHT11

  DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字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传感器都在极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内存中,传感器内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,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。

  图5 空气温湿度传感器模块原理图

  4、土壤温度检测模块ds18b20

  ds18B20温度传感器和湿度检测模块,18B20温度传感器是单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统,具有线路简单,在一根通信线,可以挂很多这样的数字温度计,十分方便。

  图6 18B20温度传感器模块原理图

  5、土壤湿度检测模块

  湿度检测模块这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分,当土壤缺水时,模块输出一个高电平,反之输出低电平。

  图7 土壤湿度检测模块原理图

  6、继电器模块

  继电器是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

  图8 继电器模块原理图

  7、报警模块

  自制蜂鸣器组成的一个警报发声模块。

  图9 报警模块原理图

0 整体模块实物图

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关键词: 单片机          传感器     上位机     控制系统    

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