基于ATmega16的无线温湿度监控系统设计

郑祥明

基于ATmega16的无线温湿度监控系统设计

郑祥明

（亳州学院电子与信息工程系，安徽亳州236800）

提出一种基于ATmega16的温湿度监控系统设计方案，该系统利用数字温度传感器、土壤湿度传感器将现场的温湿度数据实时采集并通过nRF24L01无线收发模块发送给控制端对数据进行分析处理进而研究温湿度对亳芍生长周期的影响，以期能为温湿度的相关研究提供参考.

ATmega16；nRF24L01；温度；土壤湿度

四大药都之首安徽亳州，位于安徽省西北部，有“中华药都”之称.亳州市中药材种植品种多，种植面积达4.3 ha万亩，其中白芍占全国总产量的60%.白芍又名亳芍，是一种保健食品，亦可作药用，一般适宜生长在排水良好的沙质土壤中，亳芍植株在生长过程中受光照、温度和土壤湿度等环境条件影响［1］.目前，亳州地区的芍药仍然以大田种植为主，极易受干旱、洪涝等自然灾害影响.传统的种植技术主要依靠种植户根据自己的经验对亳芍的生长过程进行监管，但是种植户的技术参差不齐，很难及时应对种植过程中遇到的问题.如何利用现代电子技术和控制技术有效地对亳芍等药用作物的生长和质量等进行监控是种植户和制药企业关注的焦点.针对这些问题笔者提出一种基于ATmega16和nRF24L01的温湿度监控系统设计方案，该系统利用温度传感器、土壤湿度传感器将现场的温湿度数据采集，通过nRF24L01无线收发模块发送给控制端对数据进行分析处理进而研究温湿度对亳芍生长周期的影响，具有一定的实用价值和实践意义.

1系统整体方案设计

系统分为主机系统和从机系统两大部分，由ATmega16微处理器模块、温湿度传感器模块、液晶显示设备和无线数据传输模块等组成（见图1）.

主机系统主要由ATmega16单片机最小系统、nRF24L01无线通讯模块、LCD1602液晶显示器、报警模块等组成（见图1（a））.主机系统的功能是：利用nRF24L01无线通讯模块接收从机系统采集到的温湿度等实时数据，对数据信息进行处理和存储.若接收的数据超出了系统设定的正常范围则发出命令，控制相应从机继电器模块进行给排水调节土壤湿度.如果接收的数据中存在异常数据时立即发出警报，并通过液晶显示从机序号，提示工作人员及时排除故障.

从机系统由若干个从机组成，每个从机均包含ATmega16单片机最小系统、温度传感器模块、土壤湿度传感器模块、nRF24L01无线通讯模块和控制模块等（见图1（b））.从机系统的功能是：采集监测点环境中的温湿度等实时数据，并将相应的从机序号及数据信息通过nRF24L01无线通讯模块发送给主机，当温度或湿度超出了系统设定的正常范围，或某一从机发送了异常数据，则主机发送相应调节命令通过从机继电器模块调整该监测点环境中的土壤湿度参数.

图1系统结构框图

2系统硬件电路设计

2.1系统电路原理图设计

系统选用的控制器是ATMEL公司挪威设计中心推出的基于增强的AVR RISC结构的8位低功耗微处理器ATmega16，是整个系统的控制核心［2］.外围电路有电源电路、时钟电路、复位电路、温度采集电路、土壤湿度采集电路、无线传输模块电路和液晶显示电路等组成（见图2）［3］.

图2系统电路原理图

2.2温度传感器模块

从机系统的温度检测采用的是Dallas半导体公司的单总线数字化温度传感器DS18B20，可以直接将检测的温度转换为数字量.测温范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内精度高达±0.5℃，同时单总线的数字方式传输大大提高了系统的抗干扰性.每片DS18B20都有唯一的片序列号，可以将多个DS18B20同时连接在一根总线上，单片机通过指令匹配可读取任意一个DS18B20的温度，利用这一特性就可以把DS18B20传感器放在不同的地方，进行多点测温［4］.

2.3土壤湿度传感器模块

从机系统采用的是内部集成了高精度比较器LM393的FC-28土壤湿度传感器模块，该模块具有宽范围检测土壤湿度的功能.传感器检测表面通过镀镍处理，既加宽了感应面积，提高了导电性能，又可以防止长期与土壤接触生锈的问题.

在使用过程中，用户有两种方案可供选择：一是可以调节湿度传感器的电位器设定亳芍生长适宜的湿度值，把模块数字量输出线与ATmega16单片机接口直接连接，单片机通过检测高低电平（当湿度低于设定值时，单片机检测到高电平1，当高于设定值时，单片机检测到低电平0）检测土壤湿度，此方案可调性较差；二是将模块的模拟量输出线与ATmega16单片机PA7口直接连接，通过ATmega16内部集成的10位A/D转换器处理后将土壤湿度值直观的显示出来，同时也方便用户设定亳芍适宜生长的土壤湿度范围.本系统选用的是后者，土壤湿度传感器模块接线情况见表1.

表1 FC-28土壤湿度传感器模块接线说明（4线制）

表2nRF24L01接线及引脚使用说明

2.4LCD1602液晶显示器

系统选用的是字符型液晶模块LCD1602显示温度和土壤湿度数据.LCD1602的控制端口RS、R/W和E分别接ATmega16的PA0、PA1和PA2，数据端口D0-D7接PC口，VEE接电位器可以调节液晶的背光等.通过单片机控制LCD1602可以方便的显示16列×2行各种字母、数字和符号等，完全可以满足系统显示温度和湿度数据的需要.

2.5nRF24L01无线通讯模块

nRF24L01是一款工作在2.4 GHz世界通用ISM频段的GFSK单收发芯片，具有126个可选工作频道，频道切换时间很短，可应用跳频技术降低同频段其他设备的干扰.内部集成了Enhanced Short Burst协议，可以实现点对点或1点对多点的无线通信，具有自动应答及自动重发功能，提高了系统数据传输的效率和准确性且功耗极低［5］.根据设计要求，将nRF24L01无线传输模块的8个引脚分别与系统连接，通过软件可以配置nRF24L01为发送模式、接收模式、待机模式和掉电模式等，接线情况及引脚功能见表2.

2.6控制报警模块

大田种植的环境温度主要取决气候变化影响，本系统设计当土壤湿度传感器检测的土壤湿度超出设定的正常温度范围时，系统一方面通过相应从机的PD7引脚输出低电平控制蜂鸣器发出警报声，另一方面通过相应从机的PD6引脚控制继电器模块进行给排水调节.

3系统软件设计

系统的通信系统采用的nRF24L01通讯模块是半双工通信方式，即数据的发送和接收不能同步进行，系统软件设计时要重点考虑主机和从机无线通信时序配置［6］.

3.1从机系统软件设计

从机系统软件设计的核心是实时监控现场的温湿度信息，通过nRF24L01无线通讯方式把从机序号及数据信息发送给主机分析处理及存储.软件设计流程为，首先对系统初始化（包括18B20初始化、湿度传感器初始化和nRF24L01初始化等），由PD0口和PA7口分别读取数字温度传感器DS18B20的数值和土壤湿度传感器输出的数据.然后配置nRF24L01为发送模式即设置PRIM_RX寄存器为低，设置CE为低电平进入待机模式，设置和主机使用相同的地址宽度、频道及数据传输率（1 Mbit/s）等，最后设置PB0输出高电平设置CE为高，开始发送数据，若主机未收到应答信号则应用跳频技术（FHSS）切换到下一个频率重新发送［7］.当主机发出调整指令，从机配置为接收模式，接收主机的指令并控制继电器模块对土壤湿度进行给排水调节，从机流程图见图3.

3.2主机系统软件设计

主机系统软件的核心是接收从机采集的温湿度数据处理、存储并向从机发送相应的调整指令.软件设计流程为：首先对系统初始化（包括nRF24L01初始化和液晶显示初始化等），然后配置nRF24L01为接收模式即设置PRIM_RX寄存器为高，设置CE为低电平进入待机模式，设置和从机使用相同的地址宽度、频道及数据传输率（1 Mbit/s）等，最后设置PB0输出高电平设置CE为高，开始接收数据.对接收到的数据进行处理，当采集到的数据超出了设定的正常范围则蜂鸣器报警，并把主机设置为发送模式向相应从机发出调整指令，主机流程图见图4.

图3从机软件流程图

图4主机软件流程图

4结语

系统采用ATmega16微处理器作为控制芯片，以nRF24L01无线通讯方式将现场从机采集到的实时数据传送给控制端主机端，有效的解决了复杂环境下有线通讯的不足.系统测试结果表明：该系统在可200~500 m范围内实现主机和从机信息的有效传输，可以满足小型亳芍试验田或温室大棚的温湿度监控.同时，系统还可以增加上位机和视频监控等模块进一步完善，通过数据和视频更直观的监控亳芍的生长过程，以期为亳芍的种植研究提供技术支持，为设施农业在中药材种植领域的应用提供参考［8］.

［1］屈敏.关于亳芍栽培与应用技术的探讨[J].农业科学，2016（5）：56.

［2］马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［3］陈中，顾春雷，沈翠凤.基于AVR单片机的控制系统设计[M].北京：清华大学出版社，2016.

［4］陈中，朱代忠.基于STC89C52单片机的控制系统设计[M].北京：清华大学出版社，2016.

［5］王晓燕，丁启胜.基于WSN和LabVIEW技术的火灾监测系统设计[J].仪器仪表与传感器，2012（7）：35-41.

［6］王峰，邢磊，史星晟，等.基于nRF24L01的无线无线通信系统设计[J].应用技术，2011（7）：88-97.

［7］郝威，杨露菁.跳频技术的发展及其干扰对策[J].舰船电子对抗，2004（8）：7-12.

［8］杜艳艳.国内外设施农业技术研究进展与发展趋势[J].广东农业科学，2010（4）：346-368.

On the Design of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ATmega16

ZHENG Xiang-ming
（Department of Electronics and Information Engineering，Bozhou University，Bozhou 236800，Anhui，China）

This paper introduces a design scheme of temperature and humidity monitoring system based on ATmega16.The system uses the temperature sensor and soil moisture sensor to collect the temperature and humidity data in real time and send it to the control end through the nRF24L01 wireless transceiver module.This method has reference value and practical significance to study the effect of temperature and humidity on the growth cycle of Paeonialactiflora pall.

ATmega16；nRF24L01；temperature；soil moisture

TP368.1%

A%%%

1007-5348（2017）03-0052-05

（责任编辑：欧恺）

2016-12-16

安徽省教育厅教学名师工作室（2014msgzs170）；亳州师专科研项目（BSKY201424）；亳州学院创客实验室项目（2016cksy02）.

郑祥明（1988-），男，安徽蚌埠人，亳州学院电子与信息工程系讲师，硕士研究生；研究方向：嵌入式系统开发及应用.