CN107806905A - 基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于果蔬贮藏技术领域，公开了一种基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，包括：传感器节点，用于实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及控制功能；网关节点，连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据；至少一个数字式传感器，与传感器节点连接，用于采集温室内实时的环境温度和湿度工况数据；PIC单片机等。本发明对于积极推进本地果蔬产业链的建设，推动果蔬产业向商品化、专业化、现代化发展，也能达到产业增效，人民增收具有推广意义。

Description

基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统

技术领域

本发明属于果蔬贮藏技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统。

背景技术

温室环境的温度和湿度参数实时智能监测，一般采用廉价、高效的传感器作为监测节点，解决外围电路庞大、电路结构复杂的问题；解决监测数据不稳定且可靠度低的问题；解决数字化实时显示困难的问题；解决数字调节不方便的问题。通过对无线传感网络的实时监测从而获知整个温室环境的环境现场参数，其对农业生产、食品加工、煤矿生产等行业具有较大的影响；贵阳本地鲜花和果蔬等大棚种植和大棚栽培过程中，要使得这些非本季节植物处于较佳的生长状态，就必须严格控制温室内的温湿度。而不同类别的植物，所需温湿度也不尽相同。如果要使得植物时刻处于最合适生长的温湿度，提高农业产量，实时监控温室内的温湿度就显得十分的必要和重要了。下面，我们以贵阳市果蔬贮藏行业的现状来对温室环境实时监测的重要性和必要性进行论证。从贵阳市及其周边地区的情况来看，2011年，贵阳市水果产量13.75万吨，同比增长26.3％，实现产值6亿元。但是，衡量一个地区果蔬产业链的生产水平，主要依据是果蔬产业产销系统的正常运转是否(包括果蔬的科技生产水平、贮藏保鲜能力等)与果蔬的产出率及经济增长率相适应。目前，贵阳市果蔬贮藏能力占产量的比例较低，果蔬贮藏量只占果品总产量10％-15％，能长期贮存的库容仅占3％-4％，且温室贮藏技术的落后，严重制约了贵阳市果蔬产业链的发展。

综上所述，现有技术存在的问题是：由于51单片机外围电路结构复杂，造成监测数据处理缓慢，电路功耗较大，且不能够实时显示检测数据；而且现有技术中，不能全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录和处理，并且不能将温湿度等现场信息采用最有效的办法送入PC机进行处理；造成不能满足对温室环境温度和湿度的现场状态进行全面、实时、长期监测的要求；而且现有技术中，传统温湿度实时监测系统电路复杂、维护性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统。

本发明是这样实现的，一种基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，所述基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统包括：

传感器节点，用于实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及控制功能；

网关节点，连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据；

至少一个数字式传感器，与传感器节点连接，用于采集温室内实时的环境温度和湿度工况数据；

PIC单片机，与数字式传感器连接，用于在多节点无线网络范围内进行温湿度监测。

进一步，所述基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统包括：

无线传感器网络工作平台，在监测区域内合理设置传感器节点，用无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，用于协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给主控机；

环境参数监测模块，用于将监测信号送入工控机，由工控机来控制和驱动各执行部件执行功能动作；

人机通信功能模块，用于将检测获得的环境参数反馈给PIC单片机，控制和调节执行机构的工作。

本发明的优点及积极效果为：传感器节点上电复位后，经过初始化进入到PIC16F877A的工作模式，实时定时器TMR0和TMR1定时时间到输出中断，以中断方式唤醒单片机，DHT11采集温室温湿度参数数据、读取定时器时间、存储温湿度和时间数据，然后调用无线发送子程序，才将采集数据发送出去，发送完毕后，单片机重新进入掉电模式，等待唤醒。这样，不仅能够降低系统功耗，同时也满足了温室的温湿度数据采集的实时性。在果蔬保鲜、食品加工、农业大棚、煤矿生产等诸多领域内，准确、高效的实时监测温室温湿度环境参数，进行环境监测，是实现生产管理自动化、科学化的基本保证；在无线传感器网络的基础上，本发明选用PIC单片机来设计和实现温室环境温湿度实时监测，提高了系统的数字化、智能化和自动化的程度。另外，在经济社会转型的特殊背景下，通过本发明还能够积极推进本地果蔬产业、种植业、煤矿生产的建设，推动产业向商品化、专业化、现代化发展，达到产业增效，企业增收的目的。同时，通过本发明的推广应用，也能够为建设绿色农业和生态贵州做出一定的贡献。利用PLC通信数据可靠、有较好实时响应和显示的特点，用PLC来处理数字化传感器的监测数据，在简化电路结构和增强系统快速响应性的同时，为今后建立大数据工作群做好技术准备。

本发明采用人工智能技术，科学、合理的控制影响生产环境的环境因子，通过计算机控制设备进行环境控制，做到既提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，对温室环境实施自动检测是非常必要的，也是具有现实积极意义的。对于积极推进本地果蔬产业链的建设，推动果蔬产业向商品化、专业化、现代化发展，也能达到产业增效，人民增收地目的。与此同时，通过本发明的推广应用，也能够为建设绿色农业和生态贵州做出一定的贡献。

本发明解决了多节点通信和数据传输的可靠性和有效性问题，在监测区域内合理设置传感器节点，用无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给主控单片机。一方面利用单片机技术，实现控制整个监测区域工况参数的功能。另一方面，在进行数据通信时，也要充分考虑数据服务器内部各模块和插件提供统一格式的接口，使其能通过数据库方式通信适配插件访问具体的数据库。

本发明解决了传统温湿度实时监测系统电路复杂、维护性较差的问题，对温度和湿度两项技术参数进行重点测控。在测控区域内，合理设置无线传感器的监测节点，获取较好的现场工况参数。选用新一代数字式温度和湿度传感器采用单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，并可以用过总线供电，节省了大量的引线和逻辑电路。因此，数字式传感器组成的温度和湿度实时监测系统搭建非常方便，切成本低、体积小、可靠性高。

本发明解决了实时监测系统主控电路模块在各个不同工况环境中通用性和实用性的问题，以PIC单片机为核心来设计监测主控电路，采用能够实用于不同工作场合的监测主控电路模块，相较之传统51单片机为核心的监测电路，提高了主控电路模块的互换通用性，同时解决了外围电路庞大、电路结构复杂的问题；解决了监测数据不稳定且可靠度低的问题；解决了数字化实时显示困难的问题；解决了数字调节不方便的问题。

本发明在传统检测技术的基础上，进行基于PIC单片机的多节点无线网络温湿度实时监测技术，采用了数字式温湿度传感器，应用传感技术、无线收发技术及单片机技术，实现多节点无线网络温湿度数据的采集和监测。与此同时，还基于PIC单片机的温湿度监测主控电路模块技术。使得整个检测系统具有系统电路简单、维护容易、抗干扰性强、可靠性高、搭建方便等特点，并具有较好的可移植性和实用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统结构示意图；

图中：1、传感器节点；2、网关节点；3、数字式传感器；4、PIC单片机；5、无线传感器网络工作平台；6、环境参数监测模块；7、人机通信功能模块。

图2是本发明实施例提供的内部方式的时钟电路图。

图3是本发明实施例提供的复位电路图。

图4是本发明实施例提供的LCD1602液晶显示电路图。

图5是本发明实施例提供的DHT11电路图。

图6是本发明实施例提供的温度报警电路图。

图7是本发明实施例提供的湿度报警电路图。

图8是本发明实施例提供的PIC16F877A单片机的温室环境温度和湿度智能监测系统电路图。

图9是本发明实施例提供的PIC16F877A引脚图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

从我们整个国家的情况来看，早在2008年据联合国粮农组织(FAO)统计，我国蔬菜播种面积和产量分别占世界的43％、49％，均居世界第一。同时，我国还是世界水果生产大国，水果产业在国民经济中占有重要地位。自上世纪90年代以来，我国水果产量和面积已经稳居世界首位，2008年蔬果产量即达到19220吨但是果蔬产品含水率高，容易腐烂，现阶段我国新鲜果蔬腐烂损耗率，水果达到30％，蔬菜达到40％-50％，而发达国家的损耗率则不到7％。所以，虽然我国果蔬产品总量已居世界第一，但从果蔬成熟到消费者手中这个过程中的高质量保鲜仍难以满足人们的需求，保鲜科技的革新将带来更高的附加值，为社会带来巨大的效益。用PIC单片机在果蔬保鲜温湿度实时监测系统中代替51单片机作为处理核心，研究更具智能性、工作更可靠、监测数据更准确的监测系统，在提高了整个系统的自动化程度、智能化程度的同时，也提高果品保鲜库的工作效率和工作质量。这样的话，就使得大幅提高果蔬贮藏时间和贮藏质量，是积极可行的。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，包括：

传感器节点1，用于实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及控制功能；DHT11是通过单总线与微处理器通讯，只需要一根线，一次传送40位数据，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bint温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验位校验算法：将湿度、温度的整数小数累加，只保留低8位。微处理器(M0)与DHT11通信约定：主从结构，DHT11为从机，M0作为主机，只有主机呼叫从机，从机才能应答。

M0发送起始信号->DHT响应信号->DHT通知M0准备接受信号->DHT发送准备好的数据->DHT结束信号->DHT内部重测环境温湿度数据并记录数据等待下一次M0的起始信号。每一次M0获取的数据总是DHT上一次采集的数据，要想得到实时的数据，连续两次获取即可，官方不建议连续多次读取DHT，每次读取的间隔时间大于5秒就足够获取到准确的数据，上电时DHT需要1S的时间稳定。

网关节点2，连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据；无线监测网络中系统中只有三种节点：协调器节点、路由器节点和终端设备节点。系统中，协调器节点只有一个，主要功能是对无线监测网络的初始化设置和启动，负责数据的处理和上传下达，维护整个王楼哦的稳定。路由器节点有多个，其功能主要是允许子节点加入网络，在网络中起到拓展和保护信息的作用。终端节点在网络中，是精简的功能设备，负责采集末梢环境中的参数信息，并将信息报给路由器节点，其自身不具备协调器和路由器节点的功能，它的通信是由协调器节点和路由器节点完成的。

至少一个数字式传感器3，与传感器节点连接，用于采集温室内实时的环境温度和湿度工况数据；

PIC单片机4，与数字式传感器连接，用于在多节点无线网络范围内进行温湿度监测。利用PIC16F877A对直插数字集成式温湿度传感器DHT11进行循环控制，对果蔬库的温湿度进行实时监测，并把实测温湿度值实时显示在LCD芯片上，并通过键盘设定温湿度极限值。如果实测温湿度超过设定极限值，则进行LED或者蜂鸣器报警操作。基于PIC16F877A单片机的果蔬库温湿度监测系统主控电路工作原理大体如下：当产品上电时，PIC16F877A与DHT11传感器通讯，当PIC做好数据接收准备时，DHT11通过单总线将数据发到至PIC，最后再由PIC将处理过的检测数据发送至LCD进行显示，从而达到果蔬库温湿度的实时检测。在此基础上，用户可以通过按键输入温湿度极限值，对温湿度报警值进行设定，之后以达到峰值超标自动报警的目的。

无线传感器网络工作平台5，在监测区域内合理设置传感器节点，用无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给主控机；采用通信电路，来达到控制整个监测区域工况参数的目的。

环境参数监测模块6，环境参数监测的对象为温度、湿度等；选用温湿度传感器、微生物传感器、气敏传感器等数字式传感器组成监测节点网络，将监测信号送入工控机，由工控机来控制和驱动各执行部件执行功能动作。

人机通信功能模块7，用于将检测获得的环境参数反馈给PIC单片机4，以此来控制和调节执行机构的工作，使其工作具有实效性和可靠性；将传感器网络、控制单片机、工业PC、驱动电机及其他工作装置有效地结合在一起，使得各设备之间的阻抗匹配特性较好，参数观察和调节方便，电路性能稳定、稳态精度误差较小。

传感器节点上电复位后，经过初始化进入到PIC16F877A的工作模式，实时定时器TMR0和TMR1定时时间到输出中断，以中断方式唤醒单片机，DHT11采集温室温湿度参数数据、读取定时器时间、存储温湿度和时间数据，然后调用无线发送子程序，才将采集数据发送出去，发送完毕后，单片机重新进入掉电模式，等待唤醒。这样，不仅能够降低系统功耗，同时也满足了温室的温湿度数据采集的实时性。

本发明中，温湿度实时监测系统各节点通信稳定、工作可靠。

整个监测网络平台有两部分组成：传感器节点、网关节点。传感器节点实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及一些简单的控制功能；网关节点连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据，以便采用相应措施。这个监测网络平台拟采用ZigBee通信技术，使得整个网络平台能够实现几个技术创新：①、低成本、低功耗；②、精确度；③、数字化；④、微型化；⑤、接口灵活。能够较好的解决传统温湿度监测系统存在的数据传输误码率高、抗干扰性差、灵敏度和稳定性较差等问题。

温湿度实时监测系统主控电路结构简单，大幅提高其实用性和通用性。

本发明将PIC单片机和数字式传感器配合使用，减少信号损失和误差的同时，还简化了A/D电路，从而使得系统结构简单。同时，在数字信号基础上，将实测工况，在LCD或LED上实时显示出来，不延时且数据误差极小。这部分技术革新是本发明重点内容，目的就是大幅改善和提高以51单片机或晶体管电路为核心器件的监测系统功能，使其能够在在多节点无线网络范围内进行有效、可靠的工作。本发明设计主控电路的同时，分析了各种不同工况的技术要求，使得结果能够实现通用化、模块化。能够为多节点无线网络温湿度监测技术的大规模技术革新、产品推广，提供一个理论依据和实践模型。

下面结合积极效果对本发明作进一步描述。

本发明将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行、积极有效的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、显示和处理，并将温湿度等现场信息采用最有效的办法送入PC机进行处理；满足对温室环境温度和湿度的现场状态进行全面、实时、长期监测的要求。

本发明的温湿度实时监测系统各节点通信稳定、工作可靠，有两部分组成：传感器节点、网关节点；传感器节点实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及一些简单的控制功能；网关节点连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据，以便采用相应措施。监测网络平台拟采用ZigBee通信技术，使得整个网络平台能够实现几个技术创新：①、低成本、低功耗；②、精确度；③、数字化；④、微型化；⑤、接口灵活。较好的解决传统温湿度监测系统存在的数据传输误码率高、抗干扰性差、灵敏度和稳定性较差等问题。

本发明的温湿度实时监测系统主控电路结构简单，大幅提高其实用性和通用性，将PIC单片机和数字式传感器配合使用，减少信号损失和误差的同时，还简化了A/D电路，使得系统结构简单。同时，在数字信号基础上，将实测工况，在LCD或LED上实时显示出来，不延时且数据误差极小。大幅改善和提高以51单片机或晶体管电路为核心器件的监测系统功能，使其能够在在多节点无线网络范围内进行有效、可靠的工作。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的PIC单片机为PIC18F877A单片机：

PIC单片机(Peripheral Interface Controller)是一种用来可开发的去控制外围设备的可编程集成电路(IC)。由美国Microchip(微星)公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。现在PIC系列单片机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在8位单片机市场，据称已从1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC单片机从覆盖市场出发，已有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。

技术特点

32个可编程的I/O口线。为用户提供了丰富的I/O口资源

(1)I/O端口具有20mA的驱动能力

(2)8路、10位的AD转换

(3)I2C，SPI，USART，USB，CAN接口

(4)WDT(看门狗)；

(5)CCP(脉宽/捕捉/比较)

(6)内置EEPROM；

(7)3路定时器；

(8)14种中断源；

(9)支持休眠的低功耗模式；

(10)流式并行接口；

(11)内置LCD控制器；

(12)芯片加密；

(13)汇编指令少(中档系列产品仅有35条，比51单片机的111条CISC指令简单得多)；

如图9，PIC16F877A引脚：

PIC16F877A单片机拥有4组8位的I/O口线。对I/O口的操作非常简单方便。对单片机的I/O端口操作并非难事，但单片机的4组8位I/O口线都具有不同的特点及其功能，下面分别介绍各功能引脚进行介绍。

(1)端口A和TRISA寄存器

端口A是一个六位双向端口。相应的数据方向寄存器是TRISA，将TRISA寄存器的一位置1,把相应的端口A引脚变为输入，即把相应的输出驱动器置成高阻抗方式。对TRISA寄存器里的一位清零会把输出锁存器的内容放到所选择的引脚上。

读端口A寄存器读的是引脚的状态，反之，写入端口将是写向端口锁存器。所有写操作都是先读后写操作，因此，写入一个端口意味着这个端口引脚是先读入的，这个值经更改再写向端口数据锁存器。

引脚RA4对于Timero模块时钟输入变成RA4/TOCK1引脚是复用的。RA4/TOCKI引脚是一个施密特触发器输入和一个漏极开路输出。

其它端口A引脚对于模拟输入和模拟VREF输入是复用的。每个引脚的操作是通过在ADCONI寄存器里(A/D控制寄存器1)里对控制位清零/置1来选择。

TRISA寄存器控制RA引脚的方向，即使当他们正被用作模拟输入时也一样。当用他们作为模拟输入时，用户必须保证在TRISA寄存器里的此位是置1的。

(2)端口B和TRISB寄存器

端口B是一个8位字宽的双向端口，相应的数据方向寄存器是TRISB，把TRISB寄存器里的一位置1会把相应的输出驱动变成为一个高阻输入方式。把TRISB寄存器里的一位置0将会把输出锁存器的内容送到所选的引脚上。

PORTB的3个引脚对于低电压编程功能；RB3/PGM,RB6/PGC和RB7/PGD是复用的。这些引脚的选择功能在特别功能节描述。

端口B的每一个引脚都有一个内部弱上拉，一个单独控制位能够打开所有的弱上拉。这个可以通过对RBPU(OPTION-REG<7>)位清零来实现。当端口设置为一个输出时弱上拉自动关闭。上拉不能使用在上电复位。

这个中断能够将单片机从睡眠中唤醒。用户在中断服务程序中用下列方法清零中断。

(a)端口B的任何读写，这将结束不匹配条件；

(b)将标志RBIF位清零；

一个不匹配条件将持续使标志位RBIF置1，读端口B将结束不匹配条件和允许标志位RBIF被清零。

变化中断特征要求对于按键唤醒操作和端口B只用作变化中断特征的操作。当使用变化中断特征时不要求对端口B的探询。

这种不匹配中断特征和在这四个引脚上可用软件设置上拉一起，使得很容易与键盘接口，从而使通过按键唤醒器件成为可能。

RBO/INT是一个外部中断输入引脚和通过使用INTEDG位(OPTION-REG<6>)来设置。

(3)端口C和TRISC寄存器

端口C是一个8位字宽的双向端口，相应的数据方向寄存器是TRISC，把TRISC寄存器里的一位置1把相应的端口C引脚变为输入，即把相应的输出驱动变成为一个高阻输入方式。把TRISC寄存器里的一位置0将会把相应的端口C引脚变为输出，即把输出锁存器的内容送到所选的引脚上。

端口C对于几种外部功能是复用的，端口C引脚有施密特触发器输入缓冲器。

当I2C模块使用时，PORTC<3:4>引脚可以通过CKE位(SSPSTAT<6>)用标准I2C或用SMBUS来设置。

当外围功能使能时，对每个端口C引脚在设定TRIS位时应该小心,当其它外部超越TRIS位使一个引脚成为输入时，一些外部超越TRIS位使一个引脚成为输出，因为当外部功能能使时，TRIS位超越是有效的，带有TRISC作为目标的先读后写指令(BSF、BCF，XORWF)应该避免，用户应该参考相关的正确设置TRIS位的章节。

(4)端口D和TRISD寄存器

端口D是一个8位端口，它带有施密特触发器输入缓冲器，每个引脚可单独设定为输入或输出。

端口D可以通过设置控制位PSPMODE(TRISE<4>而被设置为一个8位字宽的单片机端口(并行从端口)。用这种方式输入缓冲器是TTL。

(5)并行从端口(PSP)：

并行从端口在PIC16F873/876上不执行。

端口D作为一个8字宽并行从端口(PSP)，或当控制位PSP,MOD(TRISE<4>)置1时作为微处理器端口。用从方式，通过外部字:用RD控制输入引脚REO/RD和用WR控制输入引脚RE1/WR使它可同步读写。

它可以直接接口到8位单片机的数据总线上，外部单片机能够读或写作为8位锁存器的端口D锁存器。将位PSPMODE置1能使端口引脚RE0/RD成为RD输入，RE1/WR成为WR输入和RE2/CS成为CS(片选)输入，对这种功能相应的TRISE寄存器(TRISE<2:0>)数据方向位必须设置为输入(置1)和A/D端口设置位PCFG<2:0>(ADCONI<2:0>)必须置1，它将设置引脚RE(2:0)设定为数字输入/输出。

实际上有两个8位锁存器，一个用作数据输入(从PICMICRO微处理器)和一个用作数据输入。用户写8位数据到端口D数据锁存器和从端口引脚锁存器读数据(注意他们有相同的地址)。用这种方式，TRISD寄存器被忽略了，因为微处理器正在控制数据流的方向。

当CS和WR线都被首先探测为低电平时，发生一个写入并行从属端口。当CS或WR线两者变成高电平(电平触发器)时，这时输入触发器全静态(IBF)标志位(TRISE<7>)在Q4时钟周期时被置1，在下一个Q2周期之后，标志写完成。中断标志位PSPIF(PIRI<7>)在相同的Q4时钟上也被置1,IBF通过读端口D输入锁存器也能被清零。如果当先前字节还没有被读出缓冲器时，尝试第二次写入PSP，这时输入缓冲器溢出(IBOV)状态标志位(TRISE<5>)被置1。

当CS和RD线是首先被探测为低电平时，发生一个从PSP读出。输出缓冲器全静态标志位(TRISE<6>)被立即清零以表明端口D锁存器通过外部总线正在等待被读。当CS和RD引脚都变成高电平(电平触发器)时，中断标志位PSPIF在Q4时钟周期上是置1的，在下一个Q2周期之后，表明读操作完成。OBF仍保持低电平直到通过用户固件将数据写向端口D。

当不用PSP方式时，IBF和OBF位是保持清零的，然而，如果状态位IBOV先前被置1，它必须用固件清零。

当一个读写操作完成后，产生一个中断和被锁存到标志位PSPIF。PSPIF必须通过用户用软件清零，通过中断使能位PSPIF(PIE<7>)清零而使中断使能。

下面结合数字式传感器对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的数字式传感器为温湿度传感器DHT11：

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个N下C测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

应用范围

暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、气象站、家电、湿度调节器、医疗、其他相关湿度检测控制。

成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、品质卓越、超快响应、抗干扰能力强超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准。外形尺寸如

产品参数

(1)相对湿度

分辨率：16bit；

重复性：±1％RH；

精度：25℃±5％RH；

响应时间:1/e(63％)250C 6s；

1m/s空气 6s；

迟滞:<±0.3％RH；

长期稳定性:<±0.5RH/yr；

(2)温度

分辨率:16Bit；

重复性:±0.2℃；

量程范围:25℃±2℃；

响应时间:1/e(63％)10S；

(3)电气特性

供电:DC 3.5-5.5V；

供电电流:测量0.33mA待机60uA；

采样周期:次大于2秒；

(4)引脚说明

1,VDD供电3.5-5.5V DC；

2,DA下A串行数据，单总线；

3,NC空脚；

4,GND接地，电源负极；

下面结合主控电路对本发明作进一步描述。

时钟电路设计

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的.PIC16F877A单片机的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号；另一种为外接方式，时钟信号信号由外部引入。

单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。

以MCS一5l单片机为例随明：MCS一51单片机为l2个时钟周期执行一条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用r2个时钟周期。没有这个时钟，单片机就跑不起来了，也没有办法定时和进行和时间有关的操作。

如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机是无法工作的。

内部方式的时钟电路分析

如下图所示为PIC16F877A单片机的振荡电路，XTAL1和XTAL2端将晶振、两个电容与内部反相放大器组成并联谐振电路，图中的电容取30pF，对频率有微调的作用，振荡频率为4MHz。本发明采用内部方式的时钟电路如下图2所示：

外部方式的时钟电路分析：

PIC16F877A时钟电路包括内部时钟和外部时钟两种：

内部时钟：是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，不需要外部振荡器件。外部时钟：分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好。

相比较而言，在考虑根据实际情况需求之后，本发明采用了石英晶振

复位电路设计：

系统开始运动和重新考复位电路来实现，复位使CPU和其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。

PIC16F877A单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。复位的条件是：在时钟电路工作以后，当外部电路在RST引脚持续2个机器周期(24个振荡周期)以上的高电平时，使系统内部复位。

单片机的复位电路有两种：上电自动复位和按键手动复位。

上电自动复位电路是利用电容充电来实现的。由于电容的惰性，在上电瞬间，RST引脚的电位与相同，随着电容上充电电压的增加(或充电电流的减小)，RST引脚的电位逐步下降。上电自动复位所需的最短时间是振荡周期建立时间加上2个周期时间，在这个时间内，RST端的电位应维持高电平。一般只要保持正脉冲的宽度为10us，就可使单片机可靠复位。

本发明采用上电复位和按键手动复位混合使用，如图3所示：

在图3中，如果按键没有按下，其工作原理和上电自动复位的工作原理相同。在单片机运行期间，利用按键也可实现复位操作。晶振为4MHZ时，R2为10K欧姆。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态。

按键电路设计：

键盘设计一般分为矩阵式和一般按键式，但是对于此设计，为了方便化设计，本发明采用了按键式设计，一般按键式主要是通过按键电平产生变化，外部中断0输入端，即外部中断0输入端电平产生变化从而产生中断，在通过扫描程序判断是按得那个键被按下，从而产生相应的变化。

LCD1602液晶显示电路设计：

本发明采用了LCD1602液晶显示，显示电路主要显示波形的频率和波形的种类，PIC16F877A单片机D端口和LCD1602数据输入段连接。LCD1602液晶控制段与单片机RA1,RA2,RA3端口连接。单片机通过RA1,RA2,RA3控制对LCD1602液晶输入输出，通过RA2口对LCD1602数据进行输入。

LCD1602液晶各个引脚的简介：

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极。

电路设计如图4所示：

下面结合DHT11温湿度传感器电路设计对本发明作进一步描述。

DHT11温湿度传感器是一款由广州奥松电子有限公司设计生产的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个N下C测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

应用范围十分广泛，主要运用在暖通空调、除湿器、测试及检测设备、消费品、汽车、自动控制、数据记录器、气象站、家电、湿度调节器、医疗、其他相关湿度检测控制。

在传感器的运用过程中，需要特别注意的是传感器采集、发送信号的时序，在程序设计时，必须严格按照产品数据手册上的时序进行编程，必须做好所需要的延时处理，如若延时没有按照时序进行，就无法得到所测量的数据。

DHT11电路图如图5所示：

下面结合报警电路设计对本发明做进一步描述。

报警电路的设计是本发明基于温湿度控制系统精确控制的性能要求，对温湿度监测系统所设计的温湿度超限报警电路。本发明采用了RED_LED灯和蜂鸣器进行对超限的温湿度进行实时声光报警。

报警电路原理

(1)温度报警

温度报警主要选用了RED_LED对超限温度进行实时报警，当实测温度超过设置的上线温度值时，RED_LED点亮报警。

LED只能往一个方向导通(通电)，叫作正向偏置(正向偏压)，当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。

该电路的设计基于LED的工作原理采用了红色的LED进行报警显示。其具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。

(2)湿度报警

湿度报警主要选用了蜂鸣器(Buzzer)对超限湿度进行实时报警，当实测湿度超过设置的上线湿度值时，蜂鸣器鸣笛报警。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM输出口直接驱动，另一种是利用I/O定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。本设计采用的是后者。

温度报警电路：

温度报警主要选用了RED_LED对超限温度进行实时报警，当实测温度超过设置的上线温度值时，RED_LED点亮报警。

温度报警电路图如图6所示。

由图6可知，RED_LED阳极接入PIC16F877A的RC7端口，当RC7输出的电流为正向偏置电流时RED_LED发出红光报警。

湿度报警电路：

湿度报警主要选用了蜂鸣器(Buzzer)对超限湿度进行实时报警，当实测湿度超过设置的上线湿度值时，蜂鸣器鸣笛报警。

湿度报警电路图如图7所示

由图7可知，蜂鸣器的一端最终接入PIC的RC6端口。

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以导致单片机的I/O口是无法直接驱动的*(但AVR可以驱动小功率蜂鸣器)，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。

本发明的蜂鸣器驱动电路包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一分升压阻RC1和分流电阻RC2。

1.蜂鸣器

发声元件，在其两端施加直流电压(有源蜂鸣器)或者方波(无源蜂鸣器)就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式(直流/方波)等。这些都可以根据需要来选择。

2.三极管

三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

3.电阻RC1

提升三极管基极电压，使基极能够出现高电平是三极管饱和导通。

4.电阻RC2

RC2为分流电阻，又式I_总＝I_B+I_RC2可得出以下结论：

当I_总不变时，I_RC2减小。则I_B则增大。

下面结合整体电路设计对本发明作进一步描述。

基于PIC16F877A单片机的监测系统接线图8如。温湿度监测过程是，当产品上电时，PIC16F877A与DHT11传感器通讯，当PIC做好数据接收准备时，DHT11通过单总线将数据发到至PIC，最后再由PIC将处理过的检测数据发送至LCD1062进行显示，从而达到温室温湿度的实时检测。在此基础上，用户可以通过按键输入温湿度极限值，对温湿度报警值进行设定，之后以达到峰值超标自动报警的目的。硬件电路如图8所示：

本发明硬件选择中，以PIC16F877A和DHT11二者的基本性能参数和部分性能使用方法的分析，做出如下选择：DHT11集成数字式温湿度传感器作为温湿度监测元件，PIC16F877A作为核心处理器件对DHT11采集到的数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，其特征在于，所述基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统包括：

传感器节点，用于实现对温湿度工况数据的采集、处理、传输以及进行控制；

网关节点，连接传感器节点和外部网络，接受各个传感器节点发送的工况数据；

至少一个数字式传感器，与传感器节点连接，用于采集温室内实时的环境温度和湿度工况数据；

PIC单片机，与数字式传感器连接，用于在多节点无线网络范围内进行温湿度监测。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，其特征在于，所述基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统包括：

无线传感器网络工作平台，在监测区域内合理设置传感器节点，用无线通信的方式形成一个多跳的自组织网络系统，用于协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给主控机；

环境参数监测模块，用于将监测信号送入工控机，由工控机来控制和驱动各执行部件执行功能动作；

人机通信功能模块，用于将检测获得的环境参数反馈给PIC单片机，控制和调节执行机构的工作。

3.如权利要求1所述的基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，其特征在于，所述PIC单片机，包括PIC引脚，所述PIC引脚集成在PIC单片机上；所述PIC引脚包括：

端口A和TRISA寄存器；

端口B和TRISB寄存器；

端口C和TRISC寄存器；

端口D和TRISD寄存器；

并行从端口PSP。

4.如权利要求1所述的基于无线传感器的温室环境温度和湿度智能监测系统，其特征在于，数字式传感器，包括：

温度报警电路、湿度报警电路；所述温度报警电路、湿度报警电路均通过导线连接PIC单片机。