论文总字数：16955字

目 录

1 绪论 2

1.1课题的研究背景 2

1.2国内外研究现状分析 3

2系统总体方案设计 4

3 系统硬件模块 5

3.1 MSP430单片机 5

3.2温湿度传感器DHT11 7

3.2.1温湿度传感器简介 7

3.2.2 DHT11温湿度传感器 8

3.3 nRF24L01无线模块 9

3.4 nRF24L01引脚说明 9

4 系统软件设计 10

4.1单片机软件开发环境Labview 10

4.2 系统程序 12

4.2.1数据采集发射端工作流程 12

4.2.2 数据接收端工作流程 14

5 实物调试与检测 15

5.1 硬件的焊接 15

5.2 整体调试检测 16

6 总结与展望 17

参考文献 18

物联网环境下的温室大棚监控系统

陆洋

, China

Abstract: In order to meet the demand of modern informatization and automation of agricultural greenhouses, this topic design composed of upper machine and lower greenhouses remote monitoring,and the operating system. Consists of microprocessor MSP430 as the core, temperature and humidity sensor DHT11, wireless communication module nRF24L01 lower machine is responsible for the collection and uploading of greenhouses within the environmental data, the upper machine (PC) receive a machine transmission of data, display and operated by the user. PC software development environment using the LABVIEW, writing software can be displayed on the screen of the measured data of temperature and humidity, time node can regulate and control the environment inside the greenhouses, instant manual also can automatically set temperature and humidity limits, within a long time by the system automatic control.

Keywords:MSP430 single chip microcomputer, DHT11 temperature and humidity sensors, nRF24L01 communication module and Labview

1 绪论

1.1课题的研究背景

物联网技术作为一门新兴的技术,正在悄然改变人们的生活。从人们的衣食住行,再到农业生产,工业加工等,处处都有物联网被广泛应用的身影。众所周知,农业乃大国立国之本,作为一门新兴技术,物联网在农业生产上的应用,就显得尤为重要,迫切。

人们早已认识到传统农业的不足,经济附加值低,而且无法抵御自然灾害,气候骤变。于是温室大棚在上个世纪走入了我国农村。温湿度使农业发展永恒不变的话题，而且这个参量对于人们的生活也会产生显著的影响，比如在食物的存储、仓库环境的监管等，都需要对温度进行良好的控制。如果能够对温度进行科学的控制，那么在冬天，也能够吃到夏天时令的蔬菜，而在夏天，也能够很好保存食物。控制温度、湿度、调控大棚内的二氧化碳浓度是温室大棚日常工作的重要内容，也是衡量温室大棚管理工作的重要指标。为了保障温室大棚高效的使用，必须加强温室大棚内温度的管控，可是在传统的手工检测下，不仅存在着很大的误差，而且难以操作。所以为了能够更好的监测这个大棚的温度，就必须要构建一个整体性能稳定，而且可操作性强的监测系统，从而确保提升温室大棚的温度监控水平。

虽然温室大棚由来已久,但是到目前为止,我国的温室大棚还是低水平,高成本,耗人工的低级模式。本文研究的课题正是物联网技术在农业温室大棚中的应用。

现如今,越来越多的农民选择通过互联网销售,手机通信等新兴手段来推广自己的农产品,说明广大农民对新兴技术是原意接受并采用的,甚至这种需求是迫切的。国家原意通过技术改善农业人口的收入水平,而广大农民对技术革新需求迫切,所以物联网技术在农业领域的应用显得尤为重要。物联网技术综合无线传感器、RFID、嵌入式系统和计算机网络等而形成的一门新兴技术,监测管理是其一个重要适用领域,可以帮助农民降低生产人工成本,扩大种植区域,争取更大的经济效益;同时可以监测到大棚内的环境情况,将数据传输到上位机,使其对大棚内的情况更加具象化,数据化,使得作物的生长管理更加科学;甚至,可以在人工设定的好的情况下,自动监管大棚内的温湿度情况,由上位机按照设定自行管理。本文就这些目标,基于实际生产需要,展开研究,力求为广大农民带来更方便的生产管理,争取更大的经济效益。

1.2国内外研究现状分析

在绝大多数发展中国家,传统农业依旧根深蒂固,农业受制于气温因素、降水因素、阳光因素等,农业发展较为滞后。包括我国在内,温室大棚都处于小范围使用,技术落后或者根本就未普及的阶段。而西方世界的发达国家,农业自动化水平较为发达,温室大棚技术更是在一个较高的水平上。他们由工业生产出现的各种新兴自动化技术、信息化技术也在农业生产中逐一落实。其中,农业自动化、信息化尤为美国为代表。美国的温室大棚,早已实现大棚内温度控制、湿度控制、灌溉系统、给肥系统、光照控制的全自动化,甚至几个人就可以管理上百亩的温室大棚。他们由远程操控和控制温室内的环境,通过机器人就可以完成大棚的操作,是目前最发达的温室生产体系。荷兰是温室大棚技术在世界范围内的先驱者之一。荷兰因国土面积小,必须向土地要产量,率先将最新技术应用于温室大棚。荷兰国土面积只排到世界二百一十个国家的一百三十二位,但是荷兰人的温室大棚面积却占世界大棚面积的四分之一。总结来说,温室大棚在发达国家具有技术水平高、普及广、面积大等特点,而我国的温室大棚技术还处于一个比较滞后的阶段。我国的温室大棚到上世界八十年代才被引进,直到上世纪末才正真重视并引进信息化和自动化技术,和温室大棚的发达国际签订了关于农业发展的诸多条例。直到本世界初,我国的农业大棚技术仍以引进为主。这些设施和技术的引进本就成本高昂,是我国农民负担不起的,与方便农民和提他们的经济效益的初衷背道而驰。我国的环境与西方国家的农业环境本就存在差异,直接套用国外的技术也不能达到最好效果。直到近几年,我国才加大了本国自主研发农业温室大棚信息化、自动化的力度,温室大棚的水平有了长足的发展。在目前,我国的农业自动化技术已经基本能针对我国特别的气候环境而作出改进,并且将信息化、自动化技术融入其中,各种生态化、自动化农业就是其中的一个缩影。但是物联网作为一项新兴技术,还未在农业温室大棚中普及。在未来的农业发展中,物联网技术是提升农业现代化的一条必由之路。

2系统总体方案设计

本课题主要研究内容是基于物联网技术的基本思想,以MSP430单片机为核心,达到自动采集温室大棚内温度与湿度信息参数并反馈上位机以远程操作的目的。首先为了适应实际需求，制作了一个简易的储物盒温室模拟环境，而在系统中首先需要采集环境中的温湿度信息，用到了一个DHT11温湿度传感器，得到环境中的具体信息数据后，传输到单片机MSP430，单片机进行数据值大小是否符合指标的一个处理，再决定给下面针对温度高低设计的一个加热装置或者针对湿度高低配备的一个风扇，下达运行指令，这两个装置中，加热装置采用了一个焊烙铁的焊接头，采用220V电压供电，功率较大。而下位机与上位机的一个信息传输对接选用了无线传输的方式，将信息传输到上位机后，上位机部分可以显示实时的温湿度信息，还会展示下位机部分加热部分、风扇部分的工作状态，同时，在上位机额外添加了一个自动控制模块，上位机部分可以在提前设定温湿度数值标准的前提下，针对实时数据，进行一个下位机加热、风扇模块运行的运行控制指令，而在符合数值标准后，在接收到新的实时温湿度信息后，又会发送命令关闭两个模块。

图1 系统总体设计图

3 系统硬件模块

3.1 MSP430单片机

MSP430单片机是一种16位单片机、本单片机为16位数据处理的单片机，它集成了精简指令集，也就是说它在代码执行效率上相对较高，另外整体的指令设计更为简洁，因此应用这款单片机进行编程，难度也会得到有效降低。

这是一种低功耗的单片机，从其静态工作状态以及代码执行状态上都能够看出它的功耗较低，以下就主要分析这种单片机的特点。该单片机能够对大量的外围设备进行管控，同时内部还集成了乘法器，所以运算速度得到有效提升。另外该单片机还可以支持FFT算法等。这类算法往往会对单片机自身的运行速度有着显著的要求，需求更大的硬件资源。正是因为MSP430单片机选择了3.3V的电压，同时也是因为内部时钟选择的机制，使得MSP430单片机具有低功耗的特点。时钟控制拥有很多其他单片机不具备的灵活性。从官方提供的数据可以看出， 工作在1MHz的时钟条件下时，这个单片机在不掉电的环境下，其工作电流为100uA，这也是其最低的工作电流。如果是保障内置的RAM存储器中的数据不会丢失，那么只需要好用0.1uA的能耗即可。正是这款单片机的能耗相对较低，所以很多人形容这可以使用水果电池来进行驱动。

当然这款单片机可支持数量众多的外设。分析一个单片机的性能，除了要分析CPU的基本性能，还需要分析其支持多少外设和内部的资源，这直接决定了单片机的应用能力。MSP430单片机具有很丰富的闪存资源，同时RAM存储器的规模也相对较大。这些部分都决定了单片机的代码量，以及对应的数据处理能力。另外，该单片机的FLASH的存储空间还可以支持被擦写。另外为了能够更好的开发这个单片机，这款单片机还继承了JTAG接口。而这个接口对于单片机系统的研发极为关键，不仅可以支持程序下载，还能够支持较佳的仿真程序。项目的开发进度受仿真接口好坏程度的影响，好的接口能够有效加速开发进度，开发进度的加快实也就降低了开发的成本。所以为了节省成本，一般采用现将运行的程式下载至FLASH闪存中，然后通过软件对其进行控制，其中JTAG接口能够结合单片机内部的信息，传递至设计者，并为他们提供开发的支持。此外该单片机还可以支持C语言，这种强大的程式移植能力，可以让程式的编写变得更加简单，使得编程更加轻松愉快，如图2.3.1所示为MSP430单片机的架构。

本系统的设计使用较为常见的单片机MSP430F149，这款芯片是一种中低端的单片机，它MSP430型单片机的所有优点。它的工作频率为8MHz，高性能、低功耗且具有实时性。其内部具有时钟管理装置，另外还包括了AD转换装置，共12bit，同时包括了定时器，I\O端口数量多达48个，其中FLASH闪存数可以达到60k，Ram容量也达到了2K。这是一款开发成本较低、开发平台方便、官方支持稳定以及功耗较低的单片机。目前，由于它的这些特点，它被广泛应用于许多方面包括农业、电子、医疗等。 下面简单介绍一下单片机的结构。

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