WSN温湿度和光通量采集系统
随着现代工农业的发展，人们经常需要对各种现场进行温湿度采集和检测，然而传统的温湿度数据检测多采用有线传输，不便于应用于一些危险的或密封的场合。同时，有线传输信号容易受到电磁干扰，产生衰减，从而引起一定的测量误差。本论文设计了一个基于无线通信芯片nRF24L01的温湿度和光照强度数据采集系统，经过实验结果显示，基于WSN的温湿度和光通量采集系统具有成本低，抗干扰能力强，精确度高且使用方便的特点。 HM000071
本文针对我国现代农业信息技术落后，农业监测系统的科技含量低，自动化程度低，在技术应用上存在盲目性等现实问题，有针对性的设计和开发 WSN系统，以期实现农业环境的实时监测，远程监测，和自动监测，弥补传统传感器的不足，以应用性和理论性研究为主具有一定的前瞻性，为通信技术在农业监测中的应用提供实践基础。设计完成了包括数据软件设计模块，数据处理模块，主机控制模块，无线通信模块，数据采集模块并对系统进行了调试和测试。结果表明，将无线传感器与农业监测系统结合是可行的，WSN温湿度和光照强度采集系统能够满足对农业环境信息采集的要求，实时，可靠的获取和处理数据，这一结果也为今后智能化农业无线监测系统的实现提供了依据。
关键词：nRF24L01；无线通信；实时监测；数据采集；数据处理
2.1.1 温湿度定义
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
在计量法中规定,湿度定义为"物象状态的量"。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用%RH(Relative Humidity)表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。
2.1.2 温湿度测量方法
1.温度测量方法
温度很久以前就与生活存在着密切的关系,温度度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一，常用的温度测量方法有接触法和非接触法。
①接触法：由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡，它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。其特点是，温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。
②非接触法：利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温上限很高。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的表面温度。
2.湿度的测量方法查看完整请+Q:351916072获取
湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。但用数量来进行表示较为困难。 温湿度计湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理-化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。
常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
① 双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。
② 静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。
③ 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光-电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
④ 干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
⑤电子式湿度传感器法
电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。查看完整请+Q:351916072获取
本设计采用了DHT11数字温湿度传感器,应用数字模块采集技术和温湿度传感技术,包括了一个电阻式感湿元件和一个NTC测试元件，具有抗干扰能力强,响应度快等特点。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 本课题研究意义 2
1.4 本章小结 3
第2章 采集系统的关键技术 4
2.1 温湿度探测技术 4
2.1.1 温湿度定义 4
2.1.2 温湿度测量方法 4
2.2 光照强度探测技术 6
2.2.1 关照强度的定义 6
2.2.2 光照强度的测量方法 6
2.3 通信技术 7
2.3.1 WSN的定义 7
2.3.2 WSN的通信协议 7
2.4 本章小结 9
第3章 采集系统的设计与实现 10
3.1 温湿度设计与实现 10
3.1.1 温湿度传感器原理 10
3.1.2 温湿度探测设计 12
3.2 光照强度设计与实现 13
3.2.1 光敏电阻工作原理 13
3.2.2 光照强度探测设计 15
3.3 MCU核心控制单元 17
3.3.2 MCU控制的I/0口分配 23
3.3.3 MCU软件开发平台 23
3.3.4 独立按键设计原理 25
3.3.5 LCD显示原理 26
3.4 通信单元的设计与实现 28
3.4.1 无线通信工作原理 28
3.4.2 主机和从机工作流程 33
3.4.3 主机与从机之间通信协议介绍 34
3.4.4下位机与上位机间通信协议的介绍 35
3.4.5串口通信模块 35
3.5本章小结 37
第4章 系统集成调试 39
4.1系统的实际测试及数据分析 39
4.2 存在问题与解决措施 40
第5章 总结与展望 42
5.1 本文总结 42
5.2 技术展望 42
参考文献 44
致 谢 46
附图、附录 47查看完整请+Q:351916072获取
本文针对我国现代农业信息技术落后，农业监测系统的科技含量低，自动化程度低，在技术应用上存在盲目性等现实问题，有针对性的设计和开发 WSN系统，以期实现农业环境的实时监测，远程监测，和自动监测，弥补传统传感器的不足，以应用性和理论性研究为主具有一定的前瞻性，为通信技术在农业监测中的应用提供实践基础。设计完成了包括数据软件设计模块，数据处理模块，主机控制模块，无线通信模块，数据采集模块并对系统进行了调试和测试。结果表明，将无线传感器与农业监测系统结合是可行的，WSN温湿度和光照强度采集系统能够满足对农业环境信息采集的要求，实时，可靠的获取和处理数据，这一结果也为今后智能化农业无线监测系统的实现提供了依据。
关键词：nRF24L01；无线通信；实时监测；数据采集；数据处理
2.1.1 温湿度定义
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一,但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。此外，湿度的校准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
在计量法中规定,湿度定义为"物象状态的量"。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用%RH(Relative Humidity)表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。
2.1.2 温湿度测量方法
1.温度测量方法
温度很久以前就与生活存在着密切的关系,温度度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一，常用的温度测量方法有接触法和非接触法。
①接触法：由热平衡原理可知，两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡，它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。其特点是，温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。
②非接触法：利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。它的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。从原理上看，用这种方法测温上限很高。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的表面温度。
2.湿度的测量方法查看完整请+Q:351916072获取
湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。但用数量来进行表示较为困难。 温湿度计湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理-化学理论分析和计算，初涉者可能会忽略在湿度测量中必需注意的许多因素，因而影响传感器的合理使用。
常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
① 双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。
② 静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。
③ 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光-电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
④ 干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
⑤电子式湿度传感器法
电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。查看完整请+Q:351916072获取
本设计采用了DHT11数字温湿度传感器,应用数字模块采集技术和温湿度传感技术,包括了一个电阻式感湿元件和一个NTC测试元件，具有抗干扰能力强,响应度快等特点。
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 研究现状 1
1.3 本课题研究意义 2
1.4 本章小结 3
第2章 采集系统的关键技术 4
2.1 温湿度探测技术 4
2.1.1 温湿度定义 4
2.1.2 温湿度测量方法 4
2.2 光照强度探测技术 6
2.2.1 关照强度的定义 6
2.2.2 光照强度的测量方法 6
2.3 通信技术 7
2.3.1 WSN的定义 7
2.3.2 WSN的通信协议 7
2.4 本章小结 9
第3章 采集系统的设计与实现 10
3.1 温湿度设计与实现 10
3.1.1 温湿度传感器原理 10
3.1.2 温湿度探测设计 12
3.2 光照强度设计与实现 13
3.2.1 光敏电阻工作原理 13
3.2.2 光照强度探测设计 15
3.3 MCU核心控制单元 17
3.3.2 MCU控制的I/0口分配 23
3.3.3 MCU软件开发平台 23
3.3.4 独立按键设计原理 25
3.3.5 LCD显示原理 26
3.4 通信单元的设计与实现 28
3.4.1 无线通信工作原理 28
3.4.2 主机和从机工作流程 33
3.4.3 主机与从机之间通信协议介绍 34
3.4.4下位机与上位机间通信协议的介绍 35
3.4.5串口通信模块 35
3.5本章小结 37
第4章 系统集成调试 39
4.1系统的实际测试及数据分析 39
4.2 存在问题与解决措施 40
第5章 总结与展望 42
5.1 本文总结 42
5.2 技术展望 42
参考文献 44
致 谢 46
附图、附录 47查看完整请+Q:351916072获取
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