基于无线传感器网络控制多处水泵通断的农田灌溉监控系统

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　　摘 要：农田湿度较大，而且环境较复杂，电子器件长期工作在此种环境下容易受损。根据价格以及实用性，本系统采用能长期稳定工作在复杂环境且信号传输距离可达20米以上的数字温湿度传感器DHT11，主控芯片为AT89S52，液晶显示用LDC1602，无线传输模块用NRF24L01，各模块紧密结合，组成一个一点能通过无线控制多处水泵通断的系统。
　　关键词：无线传感器网络；数字温湿度传感器；无线控制；水泵；通断
　　中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0025-02
　　Abstract： The farmland has a large humidity and the environment is complicated. The long-term operation of electronic devices is easily damaged in such an environment. According to the price and practicality， the system adopts the digital temperature and humidity sensor DHT11 which can work stably in a complex environment for a long time and the signal transmission distance can reach more than 20 meters. The main control chip is AT89S52， the liquid crystal display LDC1602， and the wireless transmission module NRF24L01. The modules are tightly coupled to form a system that can remotely control multiple pumps through the air.
　　Keywords： wireless sensor network； digital temperature and humidity sensor； wireless control； water pump； on and off
　　1 概述
　　在農田灌溉监控系统中，电子器件长期工作在此种环境下容易受损。本文针对当前农田灌溉监控系统的不足，采用能长期稳定工作在复杂环境且信号传输距离可达20米以上的数字温湿度传感器DHT11，主控芯片为AT89S52，液晶显示用LDC1602，无线传输模块用NRF24L01，各模块紧密结合，组成一个一点能通过无线控制多处水泵通断的系统。
　　2 系统总体设计
　　系统所需的要求有：温湿度显示；无线控制；一点控制多处；按键调节湿度下限。
　　以AT89S52为控制核心，通过对DHT11传感器传回的温湿度信号进行处理，在LCD1602上显示，并通过无线模块24L01发送到远处的接收模块，接收模块接收到的信号也通过AT89S52处理，同时显示在另一块LCD1602上，并与手动调节的湿度进行比较，若低于则接收部分上的蜂鸣器响起并触发继电器的常开开关接通，否则蜂鸣器不响，继电器的常开开关也不被触发吸合。
　　2.1 单片机AT89S52
　　AT89S52内核属51单片机，相对大多其他的单片机而言，它的功耗较低，性能也较为稳定，并且价格低廉。本系统单片机的P0口第二功能可以实现八路AD信号的输出，P3.0、P3.1作为第二功能的时候可以实现串行通讯，也可以通过这两个引脚下载程序。
　　2.1.1 AT89S52引脚
　　89S52有4个输入/输出引脚口，分别是P0口、P1口、P2口和P3口，本次设计选用的型号是40个引脚封装的AT89S52。
　　2.1.2 AT89S52晶振电路
　　XTAL1接外部晶体和微调电容的一端。在89S52内，它是晶振电路反向放大器输入端和内部时钟发生器的输入端，震荡电路的频率就是晶体的固有频率，系统采用的是12MHz晶振。XTAL2接外部晶体和微调电容的另一端。在89S52内，它是振荡电路的反向放大器输出端。检测89S52震荡电路是否工作正常时，可用示波器查看XTAL2是否有脉冲信号输出便可知道。
　　2.1.3 AT89S52复位电路
　　复位电路可使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重启，因此非常重要。89S52采用的是高电平复位，系统设计采用的是按键复位电路，当按键按下时，RST端直接得到5V高电平，按键时间决定复位的时间。
　　2.2 无线模块NRF24L01
　　NRF24L01工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM频段，芯片上有频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。NRF24L01不仅应用范围广泛而且它的编程还比较简单，除了这些之外它还几乎可以连接到各种单片机芯片上，实现无线数据传送。同时，NRF24L01功率消耗也很低，它工作电压是1.9V-3.6V，可以用电池供电。
　　2.3 1路继电器5V低电平触发模块
　　要控制水泵的通断，继电器是必不可缺的模块。继电器人们一般称为“自动开关”，是一种工业中和实验中都经常用得着的电子控制器件，一般用在自动控制电路中，工业上主要是用低压小电流去控制高压大电流的原理，这样就避免了了高压电路在开关闭合的瞬间产生的火花击伤工作人员。继电器一般会有两种开关，一种是常闭开关，一种是常开开关，两种开关由一片衔铁控制，整个部分就像单刀双掷开关，衔铁又根据线圈是否得电跳动。当线圈两端加有电压时，线圈中就会有电流流过，只要电压、电流足够，磁电效应产生的磁力也会足够大，继而带动衔铁的动触点（常开触点）吸合。从而使控制部分的电路导通，当线圈掉电后，磁力也会消失，衔铁就会自动弹开恢复原来的形状断开电路，达到控制的效果。本此设计采用的1路继电器模块5V低电平触发，控制部分和被控部分可不共用电源。 　　2.3.1 1路繼电器5V低电平触发模块原理图（见图1）
　　2.3.2 1路继电器5V低电平触发模块与单片机连接（见表1）
　　3 软件/硬件调试分析及测试结果
　　本次设计编程是在keil4编辑环境下完成的。程序分模块编写，分别为DHT11模块，LCD1602模块，24L01模块，报警器模块。编写完成后，点击保存，然后进行编译，待程序编译无错误后打开progisp.exe软件，通过isp下载线下载到89S51芯片内。
　　系统硬件焊接完成后，首先给硬件进行检测。系统使用的单片机所需的是5V直流稳压电源。上电前，检查电路板上的铜线是否有因为腐蚀不好有断开或者粘连的地方，然后检查单片机、温湿度传感器、无线模块和显示模块是否反插。检查无误后给单片机上电。上电后首先看电源指示灯和LCD1602是否亮，同时检查芯片是否有发热等显现，同时用万用表测量VCC与GND以及稳压芯片输出的3.3V与GND的电压是否正常。若正常则调节与1602相连的电位器，调节至有格子出来为止。硬件检测无误后，安装相应的驱动，完成所需的程序。把完整的程序下载到单片机后，就可以知道各部分是否工作正常，若哪部分不正常，可用替换法先确定是不是元器件的问题，若不是，再检查电路是否出问题，若也不是，最后检查是否是程序上的问题。若所有的都完成后可发现主机和从机两部分显示的是一样的，在从机模块上设定湿度的下限值，用吹风筒对着温湿度传感器吹，可发现主机和从机的显示模块上数据在变化，当湿度达到下限值时，从机模块上的蜂鸣器响起，同时继电器吸合小电机转动。再把常温下显示的温度和湿度与体温计或者湿度计作比较，看看是否在有效误差范围内。同时测量两块板之间的最远的通信距离，还可试试通信是否能穿墙，两个电路板都检查无误后即可下载完整的程序调试。经检测两个模块可以隔墙通信，而且在空旷地通信距离可以达7米。
　　4 结束语
　　系统虽能实现自动远程无线控制水泵通断，但也有缺点。首先系统选用的单片机没有存储功能，而农田灌水是一门复杂的科学，只有积累多年的灌溉经验才能做到更合理更科学的灌溉，若系统能与上位机实现通信，工作人员可根据实际情况通过上位机直接控制水泵。这样不仅能提高系统的灵活性，同时，工作人员还能通过上位机显示的数据来了解外部的情况。其次，单片机的计算能力有限因而难以处理复杂的数据，单片机与上位机实现通信后，上位机可把单片机传回的数据记录下来，工作人员也可对数据做分析，久而久之便可以对灌溉的农田做出更合理的灌溉方案，日积月累，可得到更完善的农田灌溉方案。
　　参考文献：
　　[1]Bi Z，Da Xu L，Wang C. Internet of things for enterprise systems of modem manufacturing[J].IEEE Transactions on industrial informatics，2014，10（2）：1537-1546.
　　[2]郁晓庆，等.基于无线传感器网络的农田灌溉远程监控系统[J].排灌机械工程学报，2013，31（1）：66-69.
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