基于蓝牙的温室环境检测与控制系统

收稿日期 2017－03－29作者简介 罗瑞雪 1996－，女 ， 河北唐山人 ， 本科 ， 主要研究方向为环境科学 。基于蓝牙的温室环境检测与控制系统罗瑞雪 东北农业大学 资源与环境学院 黑龙江哈尔滨 ， 150030摘 要 针对温室中农作物的质量和产量受光照强度 、温湿度和二氧化碳 CO2 浓度影响的问题 ，提出了一种基于蓝牙的温室环境检测与控制系统 。该系统主要由传感器数据采集模块 、蓝牙通信链路和控制端三个部分组成 ，使用传感器采集温室环境数据 ，并通过蓝牙链路传输给 AT89S2 微处理器 ，微处理器通过液晶显示模块显示当前温室的环境信息 。当环境参数超过按钮预设的范围时 ，微处理器控制报警模块和继电模块 ，产生报警信号并自动调节温室环境 。通过实现系统的软硬件设计 ，表明本系统能自动检测和控制温室环境 ，具有良好的实时性和鲁棒性 。关键词 蓝牙 ; 温室 ; 智能控制 ; 传感器中图分类号 TP212. 6 文献标识码 B DOI 编码 10. 14016/j．cnki. 1001－9227. 2017. 07. 130Abstract A greenhouse environment detection and control system based on Bluetooth was proposed to solve the problem of the influ-ence of light intensity， temperature， humidity and carbon dioxide concentration on the quality and yield of crops in greenhouse．This systemis mainly composed of three parts sensor data acquisition module， Bluetooth communication link and control terminal， it uses sensors tocollect greenhouse environmental data， and broadcast to AT89S2 microprocessor through the Bluetooth link， the liquid crystal display mod-ule displays the environmental ination of current greenhouse．When the environmental parameters exceed the range that the buttonsets， the microprocessor controls the alarm module and the relay module to generate the alarm signal and automatically adjust the environ-ment in greenhouse．The realization of hardware and software design， indicating that the system can automatically detect and control the en-vironment in greenhouse with good real－time and robust．Key words bluetooth; greenhouse; intelligence control; sensors0 引言随着各种传感技术和通信技术的发展 ， 我国传统农业生产方式也发生了较大的变化［ 1］。农业生产正逐步进入依靠科技提高农产品的质量和产量 、提升农业的整体效益并增加农民收入的新时期［ 2－4］。近年来 ， 出现了基于以太网的远程监控系统［ 5］， 但该种监控系统有诸多缺点 ， 例如安装复杂 、设备成本高 、接入速度慢 、覆盖范围小等［ 6－10］。为了控制成本 、增加农民收入 、配合我国三农规划［ 11－13］， 本文设计了一种基于蓝牙的温室环境检测与控制系统 。蓝牙是一种短距离无线通信技术 ， 基于蓝牙的温室环境检测系统能实时监控温室的温度 、湿度 、光照强度和 CO2 浓度 ， 以无线连接的方式代替有线电缆的连接 ， 避免了电缆线路的铺设 ， 确保了温室的经济效益并提供了适宜的环境供作物生长［ 14－16］。1 系统总体设计基于蓝牙的温室环境检测与控制系统总体组成 ， 如图 1所示 。系统主要由传感器数据采集模块 、蓝牙通信链路和控制端三个部分组成 ， 使用传感器采集温室环境数据 ， 并通过蓝牙链路传输给 AT89S52 微处理器 ， 微处理器通过液晶显示模块显示当前温室的环境信息 ， 并将实时采集的数值与按钮设置的参数范围进行比较 。当超过预设的范围时 ， 微处理器控制继电模块来操控各调节机制的启停 ， 从而将温室环境调节到预设的范围内 。同时 ， 当温室环境参数超过预设范围时 ， 微处理器也可以控制报警模块报警 。其中 ， 蓝牙通信模块使用GC－05 来实现 。图 1 温室环境检测与监控系统总体框图2 硬件系统设计2. 1 检测模块硬件设计温室环境检测主要采用各种传感器来采集 ， 其结构框图如图 2 所示 。从图 2 中可看出 ， 该系统使用温度传感器 、湿度传感器 、光照传感器和 CO2浓度传感器 ， 分别采集各温室的温度 、湿度 、光照强度和 CO2 浓度等信息 。下面分别介绍所选择的各传感器 。图 2 温室环境检测模块硬件设计框图 1 温度传感器 农作物生长的适宜温度为 15℃ ～30℃，当温度过低或过高时 ， 作物会停止生长 。同时温室内的温度变化缓慢 ， 故本系统选用温度传感器对灵敏度要求较低的DS18B20 数字温度传感器 ， 该传感器价格适中 ， 性能稳定 ; 2 湿度传感器 使用寿命和稳定性是影响温度传感器031基于蓝牙的温室环境检测与控制系统 罗瑞雪的 两个主要因素 ， 本系统选用 HS1101 湿度传感器 ， 其具有较宽的测量范围 、检测寿命长且精度和灵敏度均较高 ; 3 光照传感器 光敏电阻将光照的变化转化为电信号 ，本系统采用 TSL2561 光强数字转换芯片 ， 其具有低功耗 、宽量程和配置灵活的特点 ; 4 CO2浓 度传感器 由于温室中 CO2浓 度通常较低 ， 故需要选择灵敏度高的传感器 。本系统采用 TGS4160CO2浓 度传感器 ， 其具有体积小 、稳定性和灵敏度高的特点 ， 该输出值与温室内 CO2浓 度成正比 。2. 2 蓝牙模块硬件设计蓝牙是一种点对多点的数据传输技术 ， 支持多种设备 ， 与其他无线传输技术相比具有数据分组更短和调频更快的特点 。本系统选用 GC－05蓝牙模块 ， 该模块的通信距离可达100 m， 并可支持 Audio 语音口 、ＲS232 串行口和 USB 口的无线通讯 ， 使用 F 型射频天线 ， 具有制作成本低和方便开发的特点 。其的射频段为 2. 40～2. 48 GHz， 使用 BlueTooth V1. 2 蓝牙协议 ， 操作电压为 2. 7～3. 3 V， 工作环境为－40℃ ～105℃，适合温室环境 。2. 3 控制端硬件设计本系统使用 AT89S52 微处理器分时采集 4 个温室的环境信息 ， AT89S52 的最小系统如图 3 所示 ， 包括复位电路和时钟电路 。微处理器选用 11. 0592 MHz 的晶振 ， 从而串口波特率为 19200 b/s。本系统使用一定的检测流程 ， 通过液晶显示器显示环境信息 ， 并比较获取的信息和预设的阈值 。当超过阈值时 ， 开启或停止相应的调节设备 ， 自动调节温室环境 。下面分别介绍显示模块和继电模块的硬件设计 。 1 显示模块 本系统选用 LCD1602 实时显示采集到的温度 、湿度 、光强和 CO2浓 度值 ， 液晶显示电路如图 4 所示 。引脚 2 接5 V，引脚 1 接 VSS 地 ， 引脚 3 控制显示屏的亮度 ; 2 继电模块 继电器是一种使用较小电流控制较大电流的电子控制元件 ， 在电路中起到安全保护 、自动调节和转换电路的作用 。本系统使用继电器来控制加热器 、通风窗 、遮阳幕 、滴灌装置 、补光模块和 CO2 发生器的开关 。部分电路图如图 5 所示 。图 5 中 P2、P3 分别表示加热器和通风窗 ， 当继电器吸合时 ， 相当于打开加热器和通风窗 。图 3 AT89S52 的 最小系统图 4 液 晶显示电路图 5 继电器输出电路3 软 件系统设计3. 1 检测模块软件设计传 感器模块的串口参数设置与 AT89S52 一致 ， 收到微处理器允许发送指令的信号后 ， 分时将采集到的传感器信号经蓝牙信道传送给微处理器 。温室环境检测模块的软件设计整体流程 ， 如图 6 所示 。图 6 温室环境检测软件设计流程图3. 2 控制模块软件设计控 制模块使用 AT89S52 微处理器 ， 该模块的整体流程如图 7 所示 。首先 ， 初始化液晶显示器 ， 向检测模块发送接收信号的指令 ; 然后 ， 分时接收蓝牙信道发送的环境信息 ; 最后 ， 调用数据处理子程序 ， 从而调节温室环境 。图 7 控制模块软件设计流程图4 系 统测试本 系统在 Keil μVision2 开发环境下 ， 使用 C 语言编写相131书书书自动化与仪器仪表 2017 年 第 7 期 总第 213 期 关模块的测试程序 ， 并烧写 AT89S52 进行电路调试 ， 系统整体硬件如图 8 所示 。检测模块硬件 ， 如图 9 所示 。图 8 系统整体硬件图图 9 检测模块硬件图将各硬件部分连接调试后在实验室内测试 ， 蓝牙模块上电后能自动组建网络 ， 正常通信 ， 实现温度 、湿度 、光照强度和CO2浓度信息的传输 ， 液晶显示模块能正常显示 ， 同时报警电路工作正常 。当采集到的温度高于设定的阈值时 ， LED 灯会熄灭 ， 蜂鸣器发出报警声 ， 通风窗开始启动 ; 当采集到的温度低于设定的阈值时 ， LED 灯点亮 ， 蜂鸣器发出报警 ， 加热器启动 。5 结束语本文基于蓝牙设计了一种温室环境检测与控制系统 ， 该系统由传感器数据采集模块 、蓝牙通信链路和控制端三个部分组成 ， 使用传感器采集温室环境数据 ， 并通过蓝牙链路传输给 AT89S52 微处理器 。而微处理器通过液晶显示模块显示当前温室的环境信息 ， 并将实时采集的数值与按钮设置的参数范围进行比较 。当超过预设的范围时 ， 微处理器控制继电模块来控制各调节机制的启停 ， 从而将温室环境调节到预设的范围内 。同时 ， 当温室环境参数超过预设范围时 ， 微处理器也可以控制报警模块报警 。经软硬件测试表明 ， 本系统测量精度高 、结构简单且能实现温室环境的远程监控 。参 考 文 献［ 1］ 任玲 ， 翟旭军 ， 李增国 ， 等 ．基于 AT89C52 的温室用温度监控系统设计 ［ J］ ．电子设计工程 ， 2015， 23 4 82－84．［ 2］ 林开颜 ， 周强 ， 吴军辉 ， 等 ．温室环境监控系统通信技术综述 ［ J］ ．软件产业与工程 ， 2014， 6 24－28．［ 3］ 魏兆宝 ．基于蓝牙技术的温室环境监测系统设计 ［ J］ ．民营科技 ， 2016， 1 226．［ 4］ 董淏鸣 ， 衣淑娟 ， 赵斌 ， 等 ．基于 ZigBee 的寒地水稻温室大棚智能控制系统设计 ［ J］ ．农机化研究 ， 2015， 7 164－167．［ 5］ 王晓东 ．基于 ZigBee 无线网络的多参数温室监测系统研制［ D］ ．哈尔滨 哈尔滨理工大学 ， 2016．［ 6］ 卢冠男 ．基于物联网的农业温室智能管理系统的设计与实现 ［ D］ ．长春 吉林大学 ， 2015．［ 7］ 李晓雪 ．基于遥感技术的环境监测应用分析 ［ J］ ．自动化与仪器仪表 ， 2015， 4 112－113．［ 8］ 龚燕飞 ， 聂宏林 ．现代生物技术在环境检测中的应用 ［ J］ ．自动化与仪器仪表 ， 2014， 8 97－98．［ 9］ 曾静 ， 周红 ， 李晨路 ， 等 ．温室环境检测结果 3D 可视化展示系统的研究 ［ J］ ．技术与市场 ， 2016， 23 12 61．［ 10］ 郭鹏 ， 马建辉 ．农业温室大棚智能环境监测系统设计 ［ J］ ．中国农机化学报 ， 2016， 37 4 71－73．［ 11］ 乔玉蓉 ， 张星 ， 程建云 ．基于 ZigBee 的小型温室环境信息控制系统 ［ J］ ．电子科技 ， 2016， 29 2 99－101．［ 12］ 李亚迪 ， 苗腾 ， 朱超 ， 等 ．北方日光温室智能监控系统的设计与实现 ［ J］ ．中国农业科技导报 ， 2016， 18 5 94－101．［ 13］ 孙茂泽 ， 张爱丽 ， 王来刚 ， 等 ．基于 ZigBee 和 GPＲS 的温室群监测系统设计 ［ J］ ．软件导刊 ， 2016， 15 5 126－129．［ 14］ 李天华 ， 仲崇哲 ， 魏珉 ， 等 ．温室蔬菜溯源数据采集系统的设计与实现 ［ J］ ．山东农业科学 ， 2016， 48 7 142－145．［ 15］ 韩毅 ．基于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统研究［ D］ ．太原 太原理工大学 ， 2016．［ 16］ 张铁山 ， 任众 ．基于 AT89C51 的温室大棚环境参数自动控制系统的设计 ［ J］ ．机械工程师 ， 2016， 4 34－36． 上接第 129 页 ［ 7］ 袁麓 ， 刘丹斌 ， 安国超 ．面向广电物联网的智能家居系统及其网关的研究 ［ J］ ．中国有线电视 ， 2014 S1 154－155．［ 8］ 罗福如 ．基于嵌入式的智能家居系统研究与实现 ［ J］ ．计算机光盘软件与应用 ， 2014， 12 24－25．［ 9］ 阎莉 ．探讨智能家居系统设计与实现途径 ［ J］ ．包装工程 ，2014， 22 115－116．［ 10］ 陈儒敏 ， 侯思名 ， 颜江 ．基于开源软硬件的智能家居系统设计与实现 ［ J］ ．现代计算机 ， 2013， 28 42－43．［ 11］ 母金文 ．智能家居多业务物联网网关集中器设计 ［ J］ ．无线电通信技术 ， 2016， 03 71－72．［ 12］ 李赛楠 ．基于 STM32MCU 的自动控制插座 ［ J］ ．信息与电脑 理论版 ， 2016， 11 41－43．［ 13］ 孙杰 ， 胡乃军 ， 郭志卓 ．基于物联网的智能插座设计 ［ J］ ．中国科技信息 ， 2015， 05 184－185．［ 14］ 张保增 ， 陈新春 ， 胡东方 ， 郑记涛 ．一种基于 WiFi 和 ZigBee通信的家庭用电管理系统 ［ J］ ．微型机与应用 ， 2015， 14134－135．［ 15］ Gideon Juve， Ewa Deelman， G．Berriman， Benjamin Berman，Philip Maechling．An uation of the Cost and Peranceof Scientific Workflows on Amazon EC2［ J］ ．Journal of GridComputing， 2012， 1 724－726．［ 16］ J．Tuominen， A．Muhammad， J．Mattila， L．Aha， H．Saarinen， M．Siuko， D．Hamilton， L．Semeraro．Command and Control appli-cation framework for interoperable heterogeneous ITEＲＲemote Handling devices ［ J］ ． Fusion Engineering andDesign， 2011， 9 469－472．231基于蓝牙的温室环境检测与控制系统 罗瑞雪