基于無線傳感器網絡控制多處水泵通斷的農田灌溉監控系統
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摘 要：農田濕度較大，而且環境較復雜，電子器件長期工作在此種環境下容易受損。根據價格以及實用性，本系統采用能長期穩定工作在復雜環境且信號傳輸距離可達20米以上的數字溫濕度傳感器DHT11，主控芯片為AT89S52，液晶顯示用LDC1602，無線傳輸模塊用NRF24L01，各模塊緊密結合，組成一個一點能通過無線控制多處水泵通斷的系統。
關鍵詞：無線傳感器網絡；數字溫濕度傳感器；無線控制；水泵；通斷
中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A 文章編號：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
在農田灌溉監控系統中，電子器件長期工作在此種環境下容易受損。本文針對當前農田灌溉監控系統的不足，采用能長期穩定工作在復雜環境且信號傳輸距離可達20米以上的數字溫濕度傳感器DHT11，主控芯片為AT89S52，液晶顯示用LDC1602，無線傳輸模塊用NRF24L01，各模塊緊密結合，組成一個一點能通過無線控制多處水泵通斷的系統。
2 系統總體設計
系統所需的要求有：溫濕度顯示；無線控制；一點控制多處；按鍵調節濕度下限。
以AT89S52為控制核心，通過對DHT11傳感器傳回的溫濕度信號進行處理，在LCD1602上顯示，并通過無線模塊24L01發送到遠處的接收模塊，接收模塊接收到的信號也通過AT89S52處理，同時顯示在另一塊LCD1602上，并與手動調節的濕度進行比較，若低于則接收部分上的蜂鳴器響起并觸發繼電器的常開開關接通，否則蜂鳴器不響，繼電器的常開開關也不被觸發吸合。
2.1 單片機AT89S52
AT89S52內核屬51單片機，相對大多其他的單片機而言，它的功耗較低，性能也較為穩定，并且價格低廉。本系統單片機的P0口第二功能可以實現八路AD信號的輸出，P3.0、P3.1作為第二功能的時候可以實現串行通訊，也可以通過這兩個引腳下載程序。
2.1.1 AT89S52引腳
89S52有4個輸入/輸出引腳口，分別是P0口、P1口、P2口和P3口，本次設計選用的型號是40個引腳封裝的AT89S52。
2.1.2 AT89S52晶振電路
XTAL1接外部晶體和微調電容的一端。在89S52內，它是晶振電路反向放大器輸入端和內部時鐘發生器的輸入端，震蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率，系統采用的是12MHz晶振。XTAL2接外部晶體和微調電容的另一端。在89S52內，它是振蕩電路的反向放大器輸出端。檢測89S52震蕩電路是否工作正常時，可用示波器查看XTAL2是否有脈沖信號輸出便可知道。
2.1.3 AT89S52復位電路
復位電路可使單片機初始化，也可以使死機狀態下的單片機重啟，因此非常重要。89S52采用的是高電平復位，系統設計采用的是按鍵復位電路，當按鍵按下時，RST端直接得到5V高電平，按鍵時間決定復位的時間。
2.2 無線模塊NRF24L01
NRF24L01工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM頻段，芯片上有頻率發生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。NRF24L01不僅應用范圍廣泛而且它的編程還比較簡單，除了這些之外它還幾乎可以連接到各種單片機芯片上，實現無線數據傳送。同時，NRF24L01功率消耗也很低，它工作電壓是1.9V-3.6V，可以用電池供電。
2.3 1路繼電器5V低電平觸發模塊
要控制水泵的通斷，繼電器是必不可缺的模塊。繼電器人們一般稱為“自動開關”，是一種工業中和實驗中都經常用得著的電子控制器件，一般用在自動控制電路中，工業上主要是用低壓小電流去控制高壓大電流的原理，這樣就避免了了高壓電路在開關閉合的瞬間產生的火花擊傷工作人員。繼電器一般會有兩種開關，一種是常閉開關，一種是常開開關，兩種開關由一片銜鐵控制，整個部分就像單刀雙擲開關，銜鐵又根據線圈是否得電跳動。當線圈兩端加有電壓時，線圈中就會有電流流過，只要電壓、電流足夠，磁電效應產生的磁力也會足夠大，繼而帶動銜鐵的動觸點（常開觸點）吸合。從而使控制部分的電路導通，當線圈掉電后，磁力也會消失，銜鐵就會自動彈開恢復原來的形狀斷開電路，達到控制的效果。本此設計采用的1路繼電器模塊5V低電平觸發，控制部分和被控部分可不共用電源。 2.3.1 1路繼電器5V低電平觸發模塊原理圖（見圖1）
2.3.2 1路繼電器5V低電平觸發模塊與單片機連接（見表1）
3 軟件/硬件調試分析及測試結果
本次設計編程是在keil4編輯環境下完成的。程序分模塊編寫，分別為DHT11模塊，LCD1602模塊，24L01模塊，報警器模塊。編寫完成后，點擊保存，然后進行編譯，待程序編譯無錯誤后打開progisp.exe軟件，通過isp下載線下載到89S51芯片內。
系統硬件焊接完成后，首先給硬件進行檢測。系統使用的單片機所需的是5V直流穩壓電源。上電前，檢查電路板上的銅線是否有因為腐蝕不好有斷開或者粘連的地方，然后檢查單片機、溫濕度傳感器、無線模塊和顯示模塊是否反插。檢查無誤后給單片機上電。上電后首先看電源指示燈和LCD1602是否亮，同時檢查芯片是否有發熱等顯現，同時用萬用表測量VCC與GND以及穩壓芯片輸出的3.3V與GND的電壓是否正常。若正常則調節與1602相連的電位器，調節至有格子出來為止。硬件檢測無誤后，安裝相應的驅動，完成所需的程序。把完整的程序下載到單片機后，就可以知道各部分是否工作正常，若哪部分不正常，可用替換法先確定是不是元器件的問題，若不是，再檢查電路是否出問題，若也不是，最后檢查是否是程序上的問題。若所有的都完成后可發現主機和從機兩部分顯示的是一樣的，在從機模塊上設定濕度的下限值，用吹風筒對著溫濕度傳感器吹，可發現主機和從機的顯示模塊上數據在變化，當濕度達到下限值時，從機模塊上的蜂鳴器響起，同時繼電器吸合小電機轉動。再把常溫下顯示的溫度和濕度與體溫計或者濕度計作比較，看看是否在有效誤差范圍內。同時測量兩塊板之間的最遠的通信距離，還可試試通信是否能穿墻，兩個電路板都檢查無誤后即可下載完整的程序調試。經檢測兩個模塊可以隔墻通信，而且在空曠地通信距離可以達7米。
4 結束語
系統雖能實現自動遠程無線控制水泵通斷，但也有缺點。首先系統選用的單片機沒有存儲功能，而農田灌水是一門復雜的科學，只有積累多年的灌溉經驗才能做到更合理更科學的灌溉，若系統能與上位機實現通信，工作人員可根據實際情況通過上位機直接控制水泵。這樣不僅能提高系統的靈活性，同時，工作人員還能通過上位機顯示的數據來了解外部的情況。其次，單片機的計算能力有限因而難以處理復雜的數據，單片機與上位機實現通信后，上位機可把單片機傳回的數據記錄下來，工作人員也可對數據做分析，久而久之便可以對灌溉的農田做出更合理的灌溉方案，日積月累，可得到更完善的農田灌溉方案。
參考文獻：
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