温室远程监控系统设计

温室远程监控系统设计（精选10篇）

温室远程监控系统设计 第1篇

1 温室远程监控系统总体设计

远程监控系统主要由PC机控制端、GPRS模块、控制设备三部分组成。PC机连接到互联网上, 运行组态软件程序, 显示采集的数据并发出控制命令;GPRS模块通过GPRS无线网络接入Internet网并与PC机控制端通信, 该模块自身带有模拟量输入与继电器输出功能, 可接收温室传感器数据并将该数据送往PC机控制端, 也可通过继电器控制温室设备的运行状态, 实现环境因子检测和控制, 同时组态软件的通讯功能使远程测控终端作为上位机的分支 (或者下位机) 凭借移动SIM卡 (无线) 接收上位机的控制信号带动继电器动作, 从而驱动执行机构调整。

它的系统组成如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 硬件选型与端口功能分配

GPRS模块选择远程测控终端RTU6640, 此模块可以根据需要最多有6路模拟量和4路开关量输入, 6路继电器输出, 支持以太网。RTU6640模块引脚对应接入功能如下:

2.2 硬件参数配置

为了实现GPRS与组态软件的通信, 先要对RTU6640远程测控终端进行参数配置, 确保通信前硬件准确无误。

2.2.1 串口设置:打开RTU配置软件, 装好驱动后在设备管理器中找到USB转485串口号, 并设置, 波特率默认为38400bps;

2.2.2 基本配置:根据需要和功能要求, 输入模块号码 (插入的SIM卡号, 本机为15805215971) 和设备地址 (10) , 其他参数默认;

2.2.3 连接设置:RS485设置中选择波特率38400bps、数据位8、停止位1和不校验位。

2.2.4配置IP1:建立服务器有两种选择, 一是数据中心地址, 二是数据中心域名, 我们可以选择数据中心地址, 即通过IP找到服务器。 (本机IP地址为117.87.18.71)

3 系统软件设计及实现

3.1 组态软件选择

为了实现对RTU6640的检测和控制, 要在PC机上搭建组态, 编写组态软件程序, 最终通过虚拟串口实现与RTU6640的通信, 检测和控制远程设备, 带动执行机构最终完成相应的任务。我们选用昆仑通态MCGS软件, 此软件兼容性好, 使用起来方便快捷。

3.2 VSPM虚拟串口建立

要实现远程无线通信, 必须先将物理端口映射成虚拟端口, VSPM通过访问固定IP找到服务器, 监听本机地址和端口, 实现远程无线通信。建立虚拟串口如图2所示。

监听本机IP 117.87.22.27和端口6022, 串口可以向网络传输字节, 网络也可以向串口发送字节, 证明已经实现通信。为了方便起见, 我们采用了数据中心地址的方式, 设置好端口号, 在对应匹配以后即可完成。值得注意的是, GPRS虚拟串口传输要比物理串口慢很多, 因此最小采集周期要设置在4000ms, 并将其它相关参数在组态软件中设置。

3.3 运行监控

通信正常后, 将组态程序下载其中, 进行监控。图3每一列为一组, 分别监测远程测控终端传来的光照度、温度、湿度、时间四路环境因子的数值。前三者的原理与工作状态基本相同, 为阐述方便, 我们以光照度为例进行说明。光照度下面显示的数值659.0lx连接的变量为模拟量输入的第一路通道AI1采集过来的数值, 右下角的红色曲线反应的是光照度实时监测曲线, 当温室内的光照发生变化时, 由起初的600.0lx开始下降, 平稳一段时间又慢慢上升, 假如正值中午, 光照比较强烈达到了光照预设的上限范围900.0lx, 那么在左下角的表格中就会显示报警信息。这时可以通过点击“降低通道0置低降低光照”按钮, 导通常闭触点控制的功率较小的灯光电路使得温室内的执行机构起动, 前面三路是需要占用模拟量输入通道的, 而时间信号由组态软件系统生成变量, 不占用模拟量输入通道。

结束语

本文通过研究温室大棚远程无线监控系统, 解决了装有MCGS组态软件的PC机与GPRS远程测控终端RTU6640通信的问题, 通过中国电信网点交换机接入的Internet网络与中国移动GPRS的网络融合, 实现了远程温室监控系统的设计, 满足了温室监控的要求。

参考文献

[1]张长利, 沈维政.物联网在农业中的应用[J].东北农业大学学报, 2011 (5) .

[2]张帆.基于WEB和GPRS的温室远程监测与管理系统设计[D].2011:5-20.

[3]田芳明, 谭峰, 王晓亮.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学, 2012 (2) :25-36.

温室远程监控系统设计 第2篇

关键词：温室大棚;远程控制;Android;GSM

中图分类号： TP277.2;S126 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0397-03

收稿日期：2014-07-04

基金项目：广西高校研究项目（编号：YB2014136）;广西桂林市科学研究与技術开发计划（编号：20130116-3）。

作者简介：韩 剑（1982—），男，江西玉山人，硕士，讲师，从事精密测量与自动控制、EDA技术研究。E-mail：hanjian@guet.edu.cn。

通信作者：莫德清（1965—），女，广西人，硕士，副教授，从事环境监测及治理技术研究。E-mail：Modq@guet.edu.cn。

智慧农业作为现代农业智能化发展的目标，是推动中国城乡发展一体化的战略引擎。温室大棚在准备投入农产品生产阶段，通过在温室大棚内外安装布置各种相关传感器，实时分析温室内外的环境信息，从而更好地设置适合农作物生产的成长环境。农户可以通过物联网和传感器技术采集温室内外温湿度、土壤湿度、植物光照值等信息，并实现精细管理，例如天窗的开启和关闭、大棚内温湿度和光照强度等控制等;可以利用物联网采集植物各阶段的生长信息，将植物在不同生长阶段的生长状况和环境参数进行记录分析，并反馈到下一次植物生产过程中，实现更加精准的农业生产管理，从而获得更加优质的农产品[1-2]。

随着GSM通信网络的普及以及智能Android手机的发展，用户通过手机实时远程监控已成为可能，本温室大棚远程监控系统就是基于Android与GSM而设计的，人机界面良好，具有广泛的市场应用前景。

1 系统设计

温室大棚远程控制系统分为感知层模块、网络层模块和应用层模块3个部分，选取MSP430 F149单片机作为主控制芯片。感知层模块主要通过传感器模块对大棚内外的环境信息如室内外温湿度、土壤湿温度、植物光照、室外风速等进行检测;网络层模块采用串口方式控制GSM模块，通过移动2G网络与Android手机进行通信;应用层模块主要是对系统采集到的数据进行处理分析，并发送信号控制继电器和电机驱动模块以控制温室大棚各应用子系统的开启和关闭，如控制喷滴灌系统、保温系统、通风系统等应用子系统，使温室大棚内的环境接近于人工设定的理想值，以满足温室作物生长发育的需求[3]。

1.1 土壤湿度检测模块

土壤湿度是温室大棚的基本物理量，通常指土壤中的水分含量，与植物生长密切相关，往往决定农作物的水分供应状况。土壤湿度过低时，会造成土壤干旱，植物的光合作用就会停滞，从而降低了植物的生长速度和质量;土壤湿度长时间过高，会造成植物烂根，导致植物无法正常生长[4]。在农业生产过程中，不同植物有不同的生长习性，对土壤湿度的要求也有所不同，因此，需要根据具体植物的生长习性来控制土壤的湿度。本系统采用电阻式传感器，根据土壤水分含量与土壤导电性关系来检测土壤湿度[5]，单片机再根据检测到的土壤湿度值并参照土壤的设定值来控制灌溉系统。相对湿度和电阻值的关系见图1。

1.2 风速检测模块

室外风速大小也是影响植物生长的重要因素。市场上常见的专业测风仪器或者相关传感器产品价格普遍偏贵，而在实际应用中，并不需要非常专业或者精确的风速测量仪器。因此，本系统采用传统的计数传感器和手工制作的风车进行组装作为风速的检测模块。

1.3 远程通讯模块

GSM是全球移动通讯系统，GSM模块可支持国内三大电信运营商的2G移动网络，信号覆盖范围广，稳定性好，可用控制终端多，能有效保证用户与温室大棚之间的数据交互。本系统单片机通过外接GSM模块与电信商运营的2G网络手机进行信息交互[6]，具有成本低、覆盖范围广、容易操作等特点。

2 硬件设计

远程温室大棚监控系统分为10个部分（图2）：MSP430单片机主控制系统、温湿度传感器检测电路、土壤湿度检测电路、光照检测电路、风速检测电路、模数转换电路、步进电机驱动电路、系统显示电路、GSM通信电路和MAX 232串口通信电路。

2.1 土壤湿度检测电路

土壤湿度传感器电路测量元件采用具有叉式的铜片，分为正负两极，表面可以导电。在没有插入到土壤的情况下，土壤传感器的阻值非常高;当传感器插入到含水量较高的土壤中时，传感器阻值急速下降，两极之间会根据土壤的导电率形成电势差，此时可利用电路转换成电压输出到A/D的采样端[5]，当土壤中湿度发生变化，就会引起电导率的变化。该传感器对土壤的导电液体含量具有很高的灵敏度，尤其是对水含量具有更高的灵敏度和抗干扰性，可准确排除有非导电液体的干扰信息。土壤湿度检测模块电路见图3，由于土壤传感器输出信号一般比较微弱，需要通过前置电路对相应信号进行放大、滤波、电平调整，才能满足单片机对输入信号的要求。

2.2 GSM模块电路和PC机通信电路

GSM系统属于多址时分技术最完善、最成熟、应用也最广的一种移动通信体制系统，是日常生活经常接触的一种通信技术。我国早已建成覆盖全国的GSM数字移动蜂窝通信网，是目前我国民众首选的移动通信网络[6]，主要为普通用户提供语音、短信和数据等服务。由于温室大棚远程控制系统发送给用户的数据和用户发送的一些控制指令不多，可考虑使用SMS短信息服务来实现，既便于用户发现和阅读，又方便操作。对于温室大棚种植规模较大、公司化管理的用户可以设置监控中心，管理员可以通过上位机监控软件实时监控各个大棚的相关信息（图4）。

nlc202309051243

3 软件设计

主要包括2部分：一是温室大棚温度控制终端的软件设计;二是上位机监控软件设计。

3.1 控制终端的软件设计

由图5可见，控制终端软件执行流程大体分为系统初始化模块、按键检测模块、各传感器数据采集模块、系统控制模块及GSM短信发送与接收模块，各个传感器检测环境参数，单片机负责数据的处理和模块的控制，GSM模块负责发送和接收短信。温室大棚远程控制系统的主要流程为：用户通过按键设置用户自定义参数，GSM模块接收到新短信，程序就对短信内容进行解析，记录短信中的命令，并执行传感器驱动程序，读取温室大棚内外2个温湿度传感器中的温湿度值;程序通过模拟I2C协议，读取PCF8591芯片A/D轉换后植物内外光照值和土壤湿度值，根据读取采集到的环境信息值、解析命令或者按键的控制值，自动或者手动控制大棚的继电器;程序判断是否发送短信，如果需要发送短信则执行发送短信程序;程序循环运行，并又执行到按键状态判断代码[6]。

3.2 GSM模块

单片机以手机短信的形式，通过GSM模块接入到2G移动通信网与用户手机进行数据交互，而GSM模块与单片机串口相连，单片机通过串口通信就可以控制GSM模块的工作，这就需要使用AT命令。模块初始化中使用的AT命令有：ATE（简化显示）、AT+CNMI=2，1（设置短信可接收）、AT+CREG？（进行网络注册）[7];发送短信主要AT命令有：AT+CMGF=1（选择文本发送模式）、AT+CMGS=XXX（向电话号码为XXX发送手机短信）;接收短信命令有：AT+CMGR=1（读取第1条短信）。

3.3 上位机软件设计

Android是基于Linux平台的开源手机操作系统，由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成[8-9]。用户界面框架见图6，Android手机远程控制软件的登陆界面和控制界面见

图7，通过控制界面上的按键，手机会根据按键的不同来控制大棚运转。

4 结论

基于Android与GSM设计了温室大棚远程监控系统，该系统能够检测大棚内外的温湿度、光照度及土壤湿度、大棚外风速等环境信息，并将这些信息通过GSM实时反馈给用户，当室内外环境的参数达到设置参考值时，智能温室大棚便能自动控制大棚运转;当用户本身对环境参数有一定要求时，还可以通过调整改变系统程序，实现手动控制大棚运转。本温室大棚远程监控系统具有安全性高、易扩展、维护方便等特点，具有广泛的市场应用前景。

参考文献：

[1]白红武，孙爱东，陈 军，等. 基于物联网的农产品质量安全溯源系统[J]. 江苏农业学报，2013，29（2）：415-420.

[2]徐海斌，王鸿翔，杨晓琳，等. 现代农业中物联网应用现状与展望[J]. 江苏农业科学，2013，41（5）：398-400.

[3]赵 方，吴必瑞，卢青波. 基于MSP430的温室大棚温度远程监控系统[J]. 农机化研究，2012，34（5）：182-187.

[4]鞠传香，吴志勇. 基于 ZigBee 技术的温室大棚智能监控系统[J]. 江苏农业科学，2013，41（12）：405-407.

[5]刘 力，鲍安红，曹树星，等. 温室大棚内环境自动化控制方案设计[J]. 农机化研究，2013，35（1）：90-93.

[6]王鑫鑫，周国平，韩晨燕，等. 基于GPS-GSM-SMS的温室环境监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2014，42（7）：424-428.

[7]乔 俊，汪 春，王 熙，等. 基于GSM无线传输的温室环境数据采集系统[J]. 农机化研究，2008（4）：174-177.

[8]谷宇希，孟先新，杨道华，等. 基于LabVIEW的温室大棚监测与控制系统设计[J]. 华北水利水电学院学报，2013，34（3）：110-112.

[9]陈大鹏，毛罕平，左志宇. 基于Android手机的温室环境远程监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2013，41（9）：375-379.

温室远程监控系统设计 第3篇

关键词：农业设施,变量监测,实时控制,ARM-Linux,WEB

0 引言

随着计算机技术、通信技术、网络技术和无线技术的不断发展,嵌入式技术已越来越受到业界的关注,也越来越广泛地应用于各个领域。在数据控制采集领域里,嵌入式技术具有与传统的计算机不可比拟的优越性。采用嵌入式Linux操作系统,系统的稳定性进一步提高,大大缩短了开发周期。

现代网络技术的发展使得Internet网络分布越来越广阔,其应用也越来越丰富。针对现代温室监控系统的落后、不能满足现代化需求的现状,本文充分利用网络的优越性,将分布散落的农业温室通过网络连接到一起,进行集中的控制和管理。信息采集采用ZigBee网络协议,即IEEE802.15.4标准。本文在前期研究的基础上,提出了基于ARM-Linux和ZigBee协议的农业信息采集系统的设计方案。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体框架

整个系统有嵌入式现场采集模块和监控服务器两部分。系统整体设计框架如图1所示。

现场信息采集模块和执行机构与ARM9监控服务器连接,利用CC2430终端节点将信息通过无线传输至协调器,通过串口传输存储到ARM9处理器。用户通过接入Internet网络实现与监控服务中心的通信,通过浏览器对所监控的农业设施环境参数进行浏览和查询,充分利用了Internet资源共享的优势,从而实现对分布在不同地区的农业设施设备和环境参数进行实时地监控管理。

现场采集模块设备主要采用挪威半导体公司(Chipcon)生产的CC2430芯片,利用ZigBee协议对采集的温湿度进行无线传输,S3C2440处理器移植Linux系统,外围集成了DM9000网卡芯片、USB接口和串口,实现农业信息数据采集、网络传输以及视频的采集,自行设计电源驱动电路控制执行机构。

1.2 电源驱动电路执行机构

为了保证温室内植物有足够的氧气,温室需要具备通风设施;为了保证温室内的湿度,灌溉设施必不可少,因此需要安装排风扇和抽水电机。本系统实验采用小功耗风扇,供温室内通风,采用直流电机灌溉。硬件稳压电路如图2所示。

控制信号由ARM9开发板上GPIO接口引出,使用GPIO口的3-FCntl1,5-FCntl2,7-MCntl1和9-MCntl2,4个引脚将信号引出控制风扇1、风扇2、电机1和电机2。为了减少电机或风扇运转时信号间的电磁干扰,电路设计需要光耦隔离,图2的PC817即为光耦隔离。给FCntl1一个低电平,则1-2导通,发光二极管点亮,3-4导通,继电器闭合,风扇开始运转。电机工作具有相同的电路设计。

2 系统软件总体设计

软件设计内容包括操作系统平台的选择与设计、编程语言的选择、功能模块的实现以及ZigBee协议。由于Linux本身所具备源码开发、内核可裁减、占用内存少和更多的技术支持等各种特性,随着嵌入式Linux技术的不断成熟,其定制更加方便,同时支持的平台更多。

2.1 定制嵌入式操作系统

嵌入式Linux操作系统的搭建主要分为5个部分,即建立交叉编译环境、移植U-boot、根据硬件平台裁减Linux内核和相应的驱动模块、构建根文件系统及开发用户程序。

在主机平台上安装对应的交叉编译工具链,本系统为arm920t-eabi-4.1.2.tar.gz。解压工具链配置环境变量。通过Bootloader,可以初始化硬件设备,建立系统的内存空间映射,将系统的软件硬件带到合适的状态,为调用操作系统内核准备好正确的环境。本系统所用Uboot为u-boot-1.1.6.tar。操作系统内核为Linux-2.6.31,进入目录进行解压、配置和编译。

文件系统是嵌入式操作系统的重要组成部分,是指操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构。下载busybox-1.15.2制作根文件系统。Linux系统支持多种文件系统,系统采用Yaffs2文件系统。Yaffs2自带NAND芯片驱动,并为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API,用户可以不使用Linux中的MTD和VFS,直接对文件进行操作。

2.2 执行机构驱动设计

在Linux下编写风扇和电机的驱动,由CPU的GPIO(通用可编程I/O口)来控制风扇和电机。GPIO由两组寄存器控制,即控制寄存器和数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入还是输出,若把引脚设置为输出,向数据寄存器对应位写入0,则会在引脚上产生低电平,即可控制风扇和电机的启动。Linux下的风扇驱动可以使用字符设备驱动的框架来编写。

在字符设备驱动模块加载函数中实现设备号的申请和注册,相反在卸载函数中释放设备号和注销cdev。利用file_operations结构体中成员函数,实现字符驱动和内核的连接。

2.3 嵌入式WEB服务器搭建和视频支持

嵌入式WEB服务器的主要功能是监听客户端的服务请求,根据客户的请求类型,返回静态的页面或相应的CGI应用程序作为响应。

Boa服务器在arm平台上移植(在arm开发板上的Linux下)。

1)编译boa程序。

下载boa-0.94.13.tar.gz,解压源码,执行#./configure和修改Makefile,设置编译器为arm-linux-,执行#make。为了使boa的体积尽量小,节省空间,去掉调试信息,执行#arm-linux-strip boa。

2)修改配置文件boa.conf。

建立/ect/boa目录,并复制boa.conf到该目录下,修改boa.conf的权限,设定日志目录Errorlog和AccessLog。日志的两部分必须可写,否则出错。设置html文件的目录、默认首页和cgi脚本目录。

3)在windows下通过http:

//10.10.36.130(ARM的IP地址)访问进行测试。

在Linux上实现通过Web远程浏览和控制摄像头,可以使用软件mjpg-streamer来实现。网络监控需要安装必要的库文件,如安装libjpeg库和SDL库,支持视频服务器等。视频采集效果如图3所示。

2.4 CGI程序的设计

CGI是一种在服务器与外部脚本或程序之间进行交互的方法,通过从WEB服务器上接收信息,创建一个子过程以便为CGI脚本处理或存储从服务器上接受的信息。通过CGI,用户可以在WEB页面上添加一些程序,向访问者提供一种方式来存储信息和执行一些外部程序,访问数据库。另外,用户可以通过CGI动态地修改页面。

在HTML中,有个特殊的组件—表单,用户主要通过表单从客户端向服务器提交信息。表单除了包含HTML必须的标志和正文内容外,还必须包含控制元素。其中,每个元素都有3个比较重要的属性,即ACTION,METHOD和ENCTYPE。ACTION属性是提交表单时相关的应用程序或相关应用程序的URL;ENCTYPE属性是用户在提交信息时所采用的编码方式;METHOD属性是传递方法。

嵌入式WebBoa搭建好之后,用户在计算机的浏览器上输入Web服务器的IP地址+端口号+相对路径,就可以访问Web嵌入式BOA默认的网页index.html,即远程监控系统的主页面。图4为用户登录的界面。

登录成功之后,即进入主控界面,如图5所示。

3 通信协议设计

ZigBee通信一般通过事件的方式触发,由系统调度事件进行通信。使用Z-Stack软件协议,可以自组星状、网状和树状等3种网络拓扑结构,并且有很好的网络自愈功能。ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准,具有低功耗、低速率、低成本和低复杂度的短距离双向通信协议。

协调器是整个网络的核心,它负责建立一个网络与配置该网络的性质和参数,一旦完成网络,该协调器就变为路由节点。终端节点将采集的数据通过组建的网络传送到协调器,协调器CC2430通过URAT与S3C2440进行数据通信。Z-Stack由main()函数开始执行,主要初始化系统和执行轮转查询式操作系统。首先,MAC层任务初始化,网络层(NWK)初始化,硬件操作层(HAL)初始化,应用支持子层(APS)初始化,ZigBee设备对象(ZDO)初始化,应用程序初始化。当调用osal_start_system()函数后,系统就自动调用各个函数进行工作。

4 结论

1)本文将ARM-Linux与ZigBee协议结合,基于TX2440A开发板和嵌入式LINUX操作系统,以Web编程(CGI)为核心技术,编写硬件驱动程序,实现了对现代温室内部空气温度、湿度等的检测与对执行机构风扇和电机的控制。

2)采用mjpg-streamer实现对农业温室环境视频采集,可以实时观看温室内的环境状况。

3)系统原理简单、搭建容易、成本低且通用性好。

4)将分布散落的农业温室通过网络连接到一起,进行集中的控制和管理,适应了现代分散不集中的农业设施环境信息采集和控制的需求。

参考文献

[1]李医民,胡寿松,李莉.温室系统生态位智能控制方法研究[J].农业工程学报,2002,18(6):103-106.

[2]王风云,朱建华,赵一民,等.设施农业环境监控网络扩展[J].农业工程学报,2004,20(1):246-249.

[3]乔晓军,沈佐锐,陈青云,等.农业设施环境监控系统的设计与实现[J].农业工程学报,2000,16(3):77-80.

[4]刁智华,陈立平,吴刚,等.设施环境无线监控系统的设计与实现[J].农业工程学报,2008,24(7):146-150.

[5]Ferreira P M,Ruano A E.Application of computational in-telligence methods to greenhouse environmental modeling[C].Proceedings of the International Joint Conference onNeural Networks,2008:3582-3589.

[6]杨玮,李民赞,王秀.农田信息传输方式现状及研究进展[J].农业工程学报,2008,24(5):297-301.

[7]方慧,何勇.基于掌上电脑的农田信息快速采集与处理系统的研究[J].农业工程学报,2004,11(6):124-128.

[8]杨文选,王琎.温室环境智能控制系统的研究[J].农机化研究,2006(8):163-164.

[9]孟志军,王秀,薛绪掌.基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现[J].农业工程学报,2004,21(4):91-96.

温室中无线环境测控系统的设计 第4篇

关键词：温室；传感器；无线传输；单片机

中图分类号：TP277.2 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2014）04-0356-03

收稿日期：2013-08-22

基金项目：河北省唐山市科技项目（编号：10120201C-7、12140206A-2）；唐山师范学院教改項目（编号：2011001015）。

作者简介：姜丽飞（1977—），女，河北唐山人，硕士，副教授，主要从事测量与控制方面的教学与研究工作。E-mail：jianglifei1977@163.com。随着农业产业结构的调整，我国的农业已经逐步摆脱了延续数千年的耕作方式，走上了现代化、设施化的道路。现代化的温室以其环境可控、易于管理、生产效率高等特点得到了越来越广泛的应用。无线传输技术在工业控制领域的应用不但节约了成本、降低了布线的难度，同时也降低了人工测控的繁琐，提高了生产及管理效率。本研究设计的温室中无线环境测控系统能够做到实时监测温室中的环境信息并作出相应的控制，从而减轻种植人员的负担，促进温室中作物的正常成长。

1系统硬件设计

1.1系统功能设计

本研究设计的无线环境测控系统实现了对温室中温度、湿度、光照强度和CO2浓度的检测，系统由监测终端和探测节点组成。多个探测节点主要完成温室中环境信息的采集及无线发送，探测节点的组成框架见图1。监测终端的框架如图2所示，可以看出监测终端主要由单片机、键盘、液晶显示电路、无线数据收发电路、控制电路和报警电路组成。监测终端具有良好的人机界面，采用C系列液晶显示器OCM4×8C显示温室中当前的空气温度、湿度、光照强度和CO2浓度等参数，系统配有4×4键盘，用于输入控制系统的各参数的预设值。监测终端对接收的数据进行分析后，给出合适的控制信号，经三极管放大后便驱动遮阳网、喷淋装置和通风装置，从而实现温室中温度、湿度和光照强度等环境因子的自动控制。

1.2系统模块的电路设计

1.2.1单片机选型本设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制系统的核心。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 k在系统中可编程的Flash存储器，与工业89C51产品指令和引脚完全兼容。片上的Flash允许程序存储器在系统中可编程，也适用于常规编程器，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活、有效的解决方案[1]。 AT89S52单片机引脚图如图3所示[2]。

1.2.2传感器选择（1）空气温度、湿度的检测：温室中温度、湿度的检测采用数字传感器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和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接，因此本产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点；单线制串行接口使系统集成变得简易快捷；超小的体积、极低的功耗，使其成为最为苛刻的应用场合中的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便[3]，图4为DHT11与单片机的接线电路图。

（2）光照度检测：光照传感器利用光敏电阻的光敏特性完成对环境中光照强度的判断。光信号由电阻R1和光敏电阻R2分压的方式获得，光敏电阻的一端接地，通过调节R1来调节电压，使得电阻在不同光照条件下输出不同的电压值，进而经AD转换为数字量。AD7705 是AD 公司新推出的16 位AD 转换器，器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路，可编程数字滤波器等部件，从而直接将传感器测量到的多路微小信号进行AD转换（图5）。报警电路由蜂鸣器和驱动电路组成，电路简单实用，功耗低。

（3）CO2浓度检测：采用红外CO2传感器LDC-A1检测棚内CO2浓度。LDC-A1量程为0～5 000 mg/L，供电电压 5 V（直流），功耗小于100 mV，该仪器功耗低、防水、抗震动。

1.2.3nRF24L01无线传输电路 系统通过无线收发模块传输现场采集的数据，由于系统所处环境较恶劣，因此对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，本系统采用nRF24L01作为无线数据传输模块。

nRF24L01是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，有6路通道的数据接收，工作电压为1.9～3.6 V，为低电压工作；具有自动应答及自动重发功能，具有地址及CRC检验功能，数据传输率为1 Mb/s或 2 Mb/s，SPI 接口数据速率0～8 Mb/s[4]。

nRF24L01有4种工作模式：即接收模式、发送模式、待机模式和掉电模式，其工作模式由PWR_UP、CE和CS3个引脚决定。其中收发模式有2种，即ShockBurstTM模式和增强型ShockBurstTM模式。在ShockBurstTM模式下，nRF24L01可以与成本较低的低速MCU相连，高速信号处理是由芯片内部的射频协议进行的。nRF24L01提供的SPI接口数据率取决于单片机本身的接口速度，通过允许与单片机的低速通信和无线部分的高速通信，ShockBurstTM模式减小了通信的平均消耗电流。本系统设计即采用ShockBurstTM模式[5]。

控制芯片工作的信号引脚有6 个：CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ。nRF24L01 在不同模式下的引脚功能见表1。图6为无线模块与单片机接线的电路图。

1.2.4电源电路的设计[6]要使单片机稳定可靠地工作，电源必须稳定。220 V电压经变压器降压后，二极管全波整流，电容滤波，经过三端稳压器LM7805进行稳压，可以作为单片机AT89S52及LCD显示电路的电源。由于无线数据传送模块对电源的要求为1.9～3.6 V，因此电路设计用LM317制作稳压电路。电路如图7所示。

2系统软件设计

2.1通信协议

对于一个无线监测系统来说，可以接收很多个探测节点的数据，每个从机都不可以随时更改自己的地址编号，因此需要保证从机编号不能重复，以免发生通信冲突。本试验采用

中断接收方式接收、发送环境信息，在所有的数据传送中都用相同的通信协议来判断通信网络的结构、自己在网络中的位置、执行相应的命令，通信协议中的数据帧结构见表2。

监测终端工作在监控状态下，等待探测节点的数据，接收到的数据如果正确则发送应答信号，显示温湿度、光照信息和CO2浓度；如果接收的数据错误，则丢弃数据，探测节点在规定的时间内收不到应答信号则重新发送。

2.2系统软件

3结论

（1）用NRF24L01无线数据传输模块实现主从机间的温湿度数据传输，数据传输有效距离远，系统抗干扰效果好；（2）系统带有键盘和液晶显示， 具有良好的人机交互，方便使

用；（3）本系统将传感器技术与无线通信技术相结合，具有工作性能稳定、结构简单、布点灵活等特点，能够克服温室测控系统中线路多、布线复杂、维护困难等缺点，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理；（4）系统可靠性与可扩展性好，做相应的改变即可应用于各种需要环境信息监测的系统中。

参考文献：

[1]高旭，朱军 .基于AT89S52单片机的超声波倒车雷达系统的设计[J]. 电子技术，2010，37（1）：60-61.

[2]余永权. ATMEL89系列单片机应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]倪天龙. 單总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2010（6）：60-62.

[4]张崇，于晓琳，刘建平. 单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件，2004（6）：34-36.

[5]刘志平，赵国良. 基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J]. 应用科技，2008，35（3）：55-58.

温室远程监控系统设计 第5篇

温室大棚的出现使农作物在冬季低温的生长得以实现,成为农民冬季收入的一种重要来源[1]。而空气温湿度和土壤湿度是影响农作物产量的重要因素,所以如何对这些因素进行监测和控制就显得十分重要。 传统有线监测系统存在着布线困难、线路易老化、成本高和监测不方便等缺点,使得其应用普及率不高[2]。 传统的灌溉主要依靠铺设水管进行粗放式的无控灌溉,导致无法自动适量浇水,而且灌溉时间过长,通常灌溉一个100m×8m的大棚需要2.5h~3.5h,既造成了水资源的浪费又消耗了大量的劳动力。为解决上述问题,本文设计了一套温室大棚环境远程监控及自动灌溉系统。

1远程监控及自动灌溉系统方案设计

远程监控及自动灌溉系统由传感器节点、协调器节点和上位机组成。系统工作时,传感器节点周期性地将采集到的空气温、湿度数据通过Zigbee网络上传到协调器节点,协调器节点作为中继节点将数据通过串口传到上位机。用户可根据不同农作物的需要设定最适应土壤湿度,如果土壤湿度低于设定的土壤湿度值,则继电器吸合接通电控开关水阀电路进行灌溉;当土壤湿度高于此值时,继电器断开关闭电控水阀开关电路,灌溉结束。

2系统硬件设计

图1为远程监控及自动灌溉系统结构框图。传感器节点集成了处理器模块、传感器模块和自动灌溉控制模块,电控水阀和灌溉设备为执行机构。

2.1处理器模块

Zigbee作为一种无线通信网络,其网络容 量大, 最高可支持65 000个节点,而且在低 功耗待机 模式下,两节5V干电池可以使用半年到两年[3],其工作的频段在中国为2.4GHz免执照频段。TI公司研发的CC2530是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一个片上系统(SoC),它作为处理器模块的核心芯片,能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[4]。

处理器模块的主要作用是对采集数据的处理、无线通信信道的建立和数据的发送。该模块集成了I/ O、振荡器和时钟、电源模块和DMA等模块。通过对I/O的配置来决定引脚是输入还是输出,以进行数据的采集。振荡器和时钟为系统提供时钟源。电源模块对输入的电压进行降压,以适用于各模块。DMA用以减轻CPU内核传输数据时的负 担,降低功耗。处理器及外围电路图如图2所示。

2.2传感器模块

传感器模块负责采集环境中的温、湿度值,并将采集到的电压信号转化为数字信号供处理器模块工作。 数据采集模块由传感器和相关接口电路组成,采集空气温、湿度数据。空气温、湿度传感器选用DHT11,这是一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器,通过P10实现数据传输。其测量范围为20%RH~ 90%RH、0 ℃~50 ℃,测湿精度为±5%RH,测温精度为±2 ℃,工作电压为3V~5.5V。

2.3自动灌溉控制模块

自动灌溉控制模块负责将土壤湿度传感器的值与设定的值进行比较,并控制继电器的工作状态。自动控制模块由继电器、电位器、LED指示灯、FC-28土壤湿度传感器和硬件电路板等组成。土壤湿度传感器表面采用镀镍处理,有加宽的感应面积,可提高导电性能,防止生锈。通过电位器调节控制相应的阈值,当湿度低于设定值时,继电器吸合;高于设定值时,继电器断开。此外还具有延时3s~5s功能,当检测到湿度在临界状态时,不会出现频闪现象。该模块供电电压为5VDC,负载为250ADC和30VDC(低于此电压均可正常工作)。

2.4电控水阀和滴灌设备

电控水阀开关由控制模块继电器控制。当继电器吸合时,电控水阀控制端通电,打开水阀进行灌溉;当继电器闭合时控制端断电,灌溉结束。电控水阀动作方式为直动常闭式,工作温度为 -5 ℃ ~80 ℃,工作压力为0kg/cm2~8kg/cm2,工作电压为220 VAC或24VDC。

滴灌设备主要由主管、干管、支管和毛管组成[5]。 主管由原自来水供水PVC管道代替,主管埋在冻土层以下。用接头将干管与主管连接,干管的棚外部分也埋在地下冻土层以下,在大棚内的部分根据农户需求采取外露和浅埋两种方式。每个大棚设置一根支管, 安装于垂直大棚宽度方向的1/2处,与过滤器和施肥装置相连,末端封堵。将毛管与支管相连,使毛管滴水一侧朝上,防止堵塞滴口,按照各农户种植行距合理安装。管路安装实物图如图3所示。

3软件设计

Zstack协议栈符合Zigbee协议结构,利用Zstack协议栈编写系统的软件。系统通过协调器节点上电建立一个网络来接收由传感器节点发送来的数据,然后上传到上位机显示。传感器节点湿度传感器监测并比较土壤湿度与设定阈值的大小来决定是否灌溉。系统软件流程图如图4所示。

4安装调试与分析

根据系统功能流程图,用Zigbee2007协议栈进行程序的编写,并在IAR集成开发环境中待编译工程完毕后进行调试、下载程序到各节点。将传感器安装后给各节点上电,通过串口软件对传感器监测的数据进行显示。IAR环境编译工程图如图5所示。对大棚6:00到18:00的温、湿度的监测数据如图6所示。

5结论

本文设计的温室环境远程监控及自动灌溉系统对传统的有线监测和粗放式漫灌方式进行了改进,并将二者进行集成,大大减少了监测系统的体积和成本。同时运用的自动滴灌技术不仅节约了劳动力,也减少了大量的灌溉用水。该设备的设计和使用为温室大棚智能化监测和自动灌溉提供了经验和技术支持。

摘要：为解决传统农业大棚有线监控系统存在的布线困难和人工粗放式漫灌造成的劳动力大、水资源浪费等问题,设计了一套基于Zigbee的环境远程监控及自动灌溉系统。用户经串口在上位机可以读取大棚内的温度、湿度以及可根据不同农作物对土壤湿度的不同要求设置最适宜湿度,完成自动灌溉。经安装调试,系统运行稳定。

温室远程监控系统设计 第6篇

温室大棚在农业发展中具有重大意义,他在提供反季节蔬菜、缩短农作物生长周期,以及大幅度提高农作物的成活率等方面起到了巨大作用[1]。

目前使用的温室大棚卷帘机基本上是依靠现场人工送电,以达到控制卷帘机升降的目的,不仅存在着较大的安全隐患,而且不管温室中是否有劳动任务,管理人员都必须到现场操控设备,浪费了时间[2]。

本设计以发送短信的方式来控制卷帘机。通过远程控制,实现卷帘机的升降,一方面可以有效的避免事故的发生,另一方面可减轻管理人员的劳动强度。同时本设计还带有温度、湿度检测功能,能准确的将温室内的温度、湿度以短信方式反馈给管理员,提高了农业自动化程度。

1 远程控制技术

1.1 蓝牙控制技术

“蓝牙”是一种无线电技术。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化通信终端设备之间的通信,从而使数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。其数据速率为1 Mb/s。采用时分双工传输方案实现全双工传输。但其信号距离较短,一般为10m以内。

1.2 以太网控制技术

以太网控制技术是在设备中嵌入一个以太网接口,利用处理器TCP/IP协议的方式来实现设备的Internet接入,从而实现对设备的控制。该方式具有通信效率高、开放性好、应用广泛以及价格低廉等特点。但是以太网一般需要有线的传输介质来通信。

1.3 GSM控制技术

GSM控制技术是在设备中嵌入一个GSM模块,利用处理器的指令控制来实现GSM系统的短信息服务(SMS),从而实现对设备的控制。该方式具有控制简单、方便快捷、应用率高以及价格低廉的特点。

考虑各种控制方式的优缺点,本设计采用了GSM控制的方式来实现温室大棚卷帘机远程无线控制。

2 控制系统的总体方案设计

温室远程控制系统如图1所示,用户通过手机发送指令,GSM模块接收指令,被单片机(STC89C52)读取,单片机根据短信内容进行一系列操作,如:控制卷帘机升降,返回大棚内的温度湿度值等。用户也可以通过输入设备进行操作,如:控制卷帘机的升降,更改LCD液晶显示器上显示的温度、湿度等。

3 控制系统的硬件设计

如图1所示,控制系统中利用单片机完成一系列的运算,控制任务;采用GSM模块实现远程通信。本文主要讨论基于GSM技术的远程控制实现过程。

3.1 GSM模块的选用

GSM模块选用Siemens公司提供的TC35模块[4]。TC35可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据传输、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.3~5.5V,可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段,所在频段功耗分别为2 W(900MHz)和1 W(1 800MHz)。模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器,可分别连接SIM卡支架和天线。

3.2 系统其他硬件的选用

本设计中单片机选用STC89C52,该单片机具有价格低,加密性强,抗干扰能力强,超低功耗等特点,作为本设计的主控芯片非常合适;温度传感器选用DS18B20,湿度传感器选用HM1500。

4 控制系统的软件设计

4.1 单片机软件设计

单片机的程序结构如图2所示。开机后,经过TC35模块、温度模块、湿度模块、LCD液晶显示屏初始化,程序进入循环检测状态,响应TC35模块和按键的输入,响应后对系统进行相应的处理。

4.2 GSM模块的程序设计

GSM模块与手机之间使用AT指令集作为通信协议。用AT命令设置TC35的参数时,必须先要将命令写入串口,然后通过读取串口的应答数据来判断是否成功。

4.2.1 设置发送模式

短消息收发时,必须要用AT命令设置TC35的发送和接收模式。在收发短消息时,必须按照设置的模式对发送和接收的数据进行相应编码和解码。其中,设置PDU模式的命令为“AT+CMGF=1回车”。

4.2.2 设置服务中心号码

根据前面介绍短消息收发技术原理,短消息的传输总是由处于GSM外部的短消息服务中心进行中继。每个消息有自己的目的地或起源地,但只与用户和SMSC有关,因此要根据SIM卡的营运商设置相应的服务中心。如设置徐州联通公司服务中心的命令是,“AT+CSCA=008613010350500回车”。

4.2.3 短消息发送

在短消息发送时,使用以下命令将短信发出去:

at+cmgf=1回车

at+csmp=17,167,0,0回车

at+cscs=gsm回车

at+cmgs=手机号码回车

输入短信内容(text格式)+^Z

(注:“Ctrl+Z”ASCII值为26,即1AH)

5 结语

该设计以GSM无线通信技术为基础,设计了一套应用于蔬菜温室大棚卷帘机的控制器,通过短信方式控制卷帘机的升降,在国内尚属首次。该控制器控制方便,安全可靠,可广泛应用于现代农业;也可经过改进应用于其他农业或工业控制,具有巨大的二次开发价值。

参考文献

[1]郑文刚,赵春江,王纪华.温室智能控制的研究进展[J].农业网络信息,2004(2):8-11.

[2]蒋峰,韩先花,贺超英.温室远程控制系统的研究[J].农机化研究,2009,31(8):87-89.

[3]刘轲,潘良晋.基于西门子TC35的GSM远程的温度/湿度测控系统的设计[J].科技资讯,2010(15):70.

[4]Siemens.TC35ihardware interface description(Version 01.30)[R].Germany:Siemens,2003.

[5]梅创社.基于GSM手机模块在车载防盗中的应用研究[J].计算机应用与软件,2007,24(5):124-125.

[6]张洪才,崔敬谦,刘新民.改进型上拉式温室大棚卷帘机[J].农业知识:瓜果菜,2009(6):50-51.

[7]李久余.遥控式日光温室卷帘机的研制[J].农业开发与装备,2010(4):17.

[8]郑锋,王巧芝,孙西瑞.温室大棚自动控制系统的设计[J].农机科技与信息,2008(1):47.

[9]郑敏.DS18B20温度传感器在温室大棚多路测控技术中的应用[J].科技信息:学术版,2008(20):60-61.

温室大棚远程智能控制系统研究 第7篇

内蒙古河套地区现代化农业对于温湿度的测量还停留在使用传统的温度计和湿度计上, 对于温湿度的控制也停留在传统的加热和灌溉上, 并没有实现温湿度的智能控制。CO2浓度和光照强度在传统的温室大棚中不进行测量和考虑, 靠人工经验实现。随着科技的进步和单片机技术的发展, 由传感器、微控制器、模数转换器等组成智能系统的实现, 可以实时准确的进行温湿度、CO2浓度、光照的检测和控制, 也可以通过上位机实现数据的控制和分析, 这样做既节省了劳动力, 也提高了产业化水平, 并提高了农作物的产量。本文以国内温室大棚所存在的问题和河套地区温室大棚的情况, 以低成本、高性能的高等院校科研使用的32位STM32单片机为主控芯片, 结合以太网与CAN总线技术设计了稳定性好、控制精度高的温室大棚远程智能控制系统, 并以该控制器为核心搭建以河套地区为特色的大棚智能控制系统, 以实现对温湿度、CO2浓度和光照强度相互关联和耦合的控制。

1 工艺原理及主要控制系统介绍

本文以河套地区巴彦淖尔市浩彤农业有限责任公司的蔬菜大棚为研究对象, 该厂项目的工艺流程主要包括温湿度系统、光照系统和CO2浓度系统三部分, 光照强度控制通过控制外遮阳的卷膜和补光灯实现;温度控制通过内遮阳卷膜、天窗、负压风机、加温电磁阀、固态继电器和加热器实现;空气湿度通过湿帘水泵、负压水泵和天窗的控制, 土壤湿度控制滴灌水泵实现, CO2控制通过CO2发生器、负压风机和天窗实现。

2 整体控制方案介绍

由于该厂的项目以手动控制来实现参量控制, 所以通过消化该大棚工艺流程基础上提出了自动控制方案。通过现场操作员站或远程控制中心工程师站可以对棚内植物生长所需最佳环境指标进行设定, 将设定值 (SP) 通过以太网传输到STM32控制器, 同时控制器通过CAN总线采集现场传感器的过程值 (PV) 与设定值进行比较和运算得出运算结果 (MV) , 再将结果写入CAN总线去控制现场的执行器。同时远程工程师站和监控站可以实时对现场数据进行监控和备份, 现场操作员站也可通过RS-232通讯线实现数据监控。以太网采用双冗余网络, 并分别设定1#和2#工程站与操作员站, 当1#出现故障时自动切换到2#进行工作。整体控制方案图, 如图1所示。

3 硬件设计

3.1 搭建硬件模型

以浩彤公司现有控制系统为背景, 进行整个控制系统的搭建, 在该大棚的基础上增加各参量的执行器和传感器, 以STM32为控制器构成了一个多变量的闭环控制系统, 来实现大棚内的各个环境变量的均衡调节。

3.2 控制系统介绍

远程控制系统以STM32控制器为核心, 以太网和CAN总线组建实现, 对于下位机的底层网络的控制系统的搭建如图2所示。

4 软件设计

对于温度的控制, 在开机初始化时, 需要将通风循环扇打开, 以建立恒定的温度场, 采用PID控制的温度控制系统, 又存在着正动作与逆动作2种控制方式[4], 对于是正动作还是逆动作通过开机初始化时对设定值与测量值进行比较作出选择, 此过程在开机时只执行一次, 以决定对温室内的温度进行加热还是冷却。对于湿度、CO2浓度和光照强度都采用比较的方式进行控制, 温湿度、CO2浓度及光照强度都设置了上下限报警值, 通过人机界面对现场数据进行监控。上述所用传感器内部集成了A/D转换芯片, 所以对于软件程序的编写容易实现, 软件设计框架如图3所示。

(1) 对STM32控制器进行编程。STM32所有芯片都有bx CAN控制器, 支持CAN协议2.0A和2.0B。可以自动接收和发送报文, 它的通讯节点由一个CAN控制器和一个CAN接收器组成。对于该项目包括1 (主机) , 节点2 (温度) 、3 (湿度) 、4 (CO2浓度) 、5 (光照强度) 这四个从节点。工程中用到了GPIO、ADC、USART及CAN外设, 主从设备的库文件为stm32f10x_gpio.c、stm32f10x_adc.c、stm32f10x_usart.c、stm32f10x_can.c。对于主从机的区别主要体现在main函数的不同, 从机的主要作用是采集数字量, 实际中具有同等的地位。工作流程是通过初始化主机, 将控制器中的输出值以报文的形式发送到CAN网络, 不同的数据对应不同的从机节点, 如果从机接受到报文会对主机进行反馈, 主机、从机均会在上位机上显示反馈值。同理从机向主机传送数据也是通过报文实现。

(2) 以太网参数设置, 将有STM32主机的IP地址设置为192.168.125.50, 选择UDP协议, 配对开放, 本地端口为1200和1201, 通信对方IP为192.168.125.51 (工程师站) 和192.168.125.51 (监控站) , 通信对方端口为1000和1001。

(3) STM32软件程序的设计。本系统部分程序的功能是在开机初始化时通过比较测量值与设定值的大小, 决定PID控制的正、逆动作方式, 从而对大棚的温度做出加热或冷却的控制模式。主要包括:系统初始化程序、DS18B20、FDS-100、AM2301、PCF8591、MS4100读写子程序、报警子程序、中断子程序、PWM输出控制子程序、PID算法子程序、计算比较子程序、RS232串口查询式子程序、通信接口子程序、上位机监控界面设计子程序、CAN总线通信子程序等, 温度的控制采用增量式PID算法, 部分程序如下:

(4) 上位机PC组态设计。采用VB组态软件, 设计“监控画面”、“实时数据库”、“动画连接”、“设备连接”, 通过以太网和STM32以及由CAN总线构成的现场总线网络, 实现了在上位机对现场状况的远程实时监控。系统运行如图4所示。

5 结束语

笔者设计了一种基于以太网与CAN总线相结合的远程智能温室大棚控制系统, 现场控制采用CAN总线与STM32构建, 并采用以太网与STM32构建远程控制系统, 实现了现场设备、现场控制室与远程控制中心通讯的无缝连接。现场实践表明, 该远程网络系统能够极大的提高系统的稳定性和实时性, 所以具有一定的潜在经济效益。

摘要：结合内蒙古河套地区落后的农业结构和目前国内温室大棚实时性差、控制效率低和传输距离短的问题, 针对温室大棚的环境提出了一种基于以太网及STM32与CAN总线相结合的远程智能控制系统方案。详细介绍了控制思想和控制系统结构硬件及软件设计。实验表明, 采用上述控制系统极大地提高了系统的实时性与可靠性, 实现了现场设备、现场操作站与远程控制站通讯的无缝连接, 完成了各个执行单元的闭环控制, 实现温度、湿度和CO2浓度的自动控制, 具有一定的经济效益。

关键词：STM32单片机,CAN总线,智能远程控制系统,自动控制

参考文献

[1]王兴山, 李岐强, 毕宗宁, 等.基于嵌入式系统温室环境远程B/S监控系统设计[J].自动化仪表, 2008 (29) :39-42.

[2]周长吉.现代温室工程[M].北京:化学工业出版社, 2003.

[3]魏丰, 潘小虎, 曾勇.光纤CAN总线集线器及其组网研究[J].仪器仪表学报, 2011 (32) .

[4]霍罡, 曹辉.可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例[M].北京:高等教育出版社, 2008.

[5]姜忠良, 陈秀云.温度的测量与控制[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[6]振连山, 刘路兴.电阻炉数字控制电路的设计与实现[J].自动化技术与应用, 2013-6:85-91.

温室远程监控系统设计 第8篇

无线传感器网络是当今国内外研究的热点,被很多分析者推举为21世纪最重要的技术之一。在农业领域,无线传感器网络技术有着良好的应用前景。早在2002年英特尔公司就率先在俄勒冈州建立了世界上第一个无线葡萄园,并获得了成功。不过由于技术上的局限、技术规范的不统一、大规模应用上存在瓶颈以及成本等其他方面的阻碍因素,直到今天,在世界范围内,针对农业领域的无线传感器网络应用仍未普及。

近年来,基于IEEE802.15.4协议标准的ZIGBEE技术日渐成熟,极大地推动了无线传感器网络走向实用,把无线传感器网络技术应用于农业自动控制也具有了可行性。本文针对温室的生产管理的具体情况和需求,设计了基于ZIGBEE网络的远程环境监测系统,实现了大棚温湿度数据的定时采样、自动传输和远程汇集功能。

1 ZIGBEE技术的特点和优势

ZIGBEE是一种基于IEEE 802.15.4技术标准的近距离无线连接标准化规范。它工作在ISM频段,最高链路速率为250kbps,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要适用于控制和传感方面的应用。

相比其他无线传输技术,ZIGBEE的优势在于:功耗低,两节5号电池就可以支持待机数个月以上;自组织,各节点开机后会按照路由协议自动组成网络,使用灵活;低成本,通过大幅简化协议降低了对通信控制器的要求,而且ZIGBEE免协议专利费;高安全,提供了三级安全模式,能够灵活确定其安全属性;高容量,最多可组成65 000个节点的大网;免执照频段。

2 无线温室监测系统总体设计

温室监测系统主要功能是对温室大棚内各区域的温湿度数据进行监测,并最终将数据汇总到远程的数据中心统一观察。为了实现这些功能,需要解决的问题有:①数据采集的实现;②各点数据要实现远程传输与集中所必须的通信途径;③一个辅助生产系统必须考虑方案的实施成本。

根据以上要求,本文设计了采用ZIGBEE网络搭配GPRS无线广域网的设计方案。温室数据采集通过安装在各处的传感器设备节点实现,各点数据采集后通过ZIGBEE网络传输到一个或多个汇聚节点。汇聚节点对接收到的各点数据进行融合处理,再由网关节点通过GPRS网络发送到远程数据中心。这一方案的成本低,易于实施,可以满足要求。

本文将着重讨论ZIGBEE网络部分的设计,GPRS网络及上位机的协议和软件设计不作为本文重点。

3 温室ZIGBEE网络的拓扑结构选择

基于IEEE 802.15.4标准,并包含了网络层协议的ZIGBEE网络由3种节点组成:

1) 协调器节点(Coordinator):每个网络中具有唯一性的节点,它要确定网络ID、工作频段等基础参数,并负责管理网络的链路状态信息和成员节点。

2) 路由节点(Router):除应用功能外,还负有路由、数据缓存及汇接责任的节点。

3) 末端设备节点(End device):以上两种节点之外的节点。

由这3种节点构建的网络结构分为星型网络和点对点网络。星型网络结构中,除一个协调器节点外,其它都是末端设备节点。所有设备节点只与协调器节点通信,设备节点间的通信则需要由协调器节点转发。在这种网络中,协调器通常由持续电力供电。所以,这种结构通常用于一定面积范围内、较小规模的应用。点对点网络中包含一个协调器节点以及一系列路由节点和末端设备节点。节点间的数据可以通过复杂的路由选择协议进行多跳传输,可以适应更大范围、更大规模以及动态网络的应用。

考虑到温室大棚监测应用的现场环境具有如下特点:空间范围广且无法预测、监测节点的分布密度要求不高(60m×10m的温室大棚需要布置大约12～16个监测节点)、监测点移动几率很小、有条件为个别节点提供持续电力。可选方案有两种:采用多个独立的星型网络来覆盖目标区域;或者采用点对点网络中的簇树型网络来实现这一应用。在两种方案中,前者结构简单,开发难度相对较低,易于实施;其缺点是单个网络的覆盖面积有限,每个星型网络都必须有自己的广域网接入点,当监测面积很大时,硬件成本较高。后者方案的结构相对复杂,开发难度较高,但是一个网络就可以监测较大的目标区域,节省了多个GPRS模块的成本。经比较,本文选择了簇树网络的方案,由协调器节点作为网关节点,各路由节点作为汇聚节点,这两种节点负有网络管理责任,设计为由持续电力供电。末端设备节点只负责采集数据,大部分时间处于睡眠状态,由电池供电。基于ZIGBEE筷树网络的设计方案如图1所示。

4 硬件设计

点对点网络中包含ZIGBEE的全部3种节点,其中路由节点与末端设备节点在硬件设计上只有供电电源的区别。协调器节点要担任GPRS网络的网关,所以在节构上会稍有差异。

4.1 设备/路由节点的设计

末端设备/路由节点的功部分由处理器、传感器以及无线收发模块组成。末端设备节点由电池供电,在工作中,大多数时间会处于休眠状态来节省能量。在约定的时间点,节点会苏醒进行数据采集;然后,处理器通过ZIGBEE无线传输模块将采到的数据发往汇聚节点。路由节点担任汇聚节点,将收到的数据整理并发往网关节点。各节点所在的温室编号及在温室内的监测点编号由拨码开关设置,汇报数据时,位置信息也一并发送。这样可使设备节点硬件间具有最好的通用性,便于安装和维护。设备/路由节点结构如图2所示。

4.2 网关节点的设计

网关节点由无线传感器网络的协调器来担任,需要有持续的供电电源。由于要充当ZIGBEE网络与GPRS网络间的网关,它还必须连接GPRS接入模块。各汇聚节点发来的数据帧经过重新封装后,通过GPRS网络传递给远程的数据监测中心。协调器节点结构如图3所示。

4.3 器件选择

本文中ZIGBEE模块选用了MaxStream公司生产的XBee Series 2模块。Xbee2模块工作在ISM频段,采用低电压3.3V供电,功耗极低,常温下待机电流低于1μA;发射功率3dBm,接收灵敏度-95dBm,在开阔地域的最大通信半径超过100m,一跳之内即可覆盖一个温室区域;模块与MCU通过UART接口通信,连接方便;各类不同节点适配的ZIGBEE协议栈由开发公司提供的固件封装好,所以与其他如CC2430等同类产品相比,Xbee2在应用中的灵活性较差,特别是协调器节点和路由节点不能进入睡眠模式,导致只能采用持续电力供电,不适合野外动态组网的应用,但其优势在于摆脱了复杂的协议配置,只需要经过简单的设置即可以使用,进一步降低了应用难度。考虑到本应用方案的具体要求,简单易用的Xbee2模块是很好的选择。

温湿度传感器选用了以单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11为核心的DHT91。DHT91由2.4～5.5V范围宽工作电压供电,功耗极低,休眠状态功耗2～5μW。与MCU连接采用类I2C两线数字接口,连接方便。测温精度为±0.4℃,测湿精度为±3%,适于低功耗要求的嵌入式系统使用。

处理器应选择低功耗的单片机产品。目前,各单片机供应商都有超低功耗处理的芯片。各公司同类产品的一些与本应用相关的参数对照,如表1所示。

经过比较,本文选择了Silicon Labs公司的C8051F930超低功耗单片机。这款单片机在各种工作模式下的节能表现都很出色;指令集与广泛应用的51系列单片机完全兼容,软件资源丰富;内部集成的设备十分全面,在必要时很容易扩展更多的功能;内置了24.5MHz高精度振荡器,可以满足串行异步通信的精度要求,而不必再外接晶振,节约了外部电路。GPRS通信模块选用了众山科技公司的ZSD3110 DTU。

5 软件设计

5.1 主要任务

软件开发过程中,主要的工作包括各独立模块的设置与调试、设计系统运行流程、编制单片机主控程序并对所有模块联合调试,本文只讨论系统运行流程的设计。

5.2 系统运行流程及节点程序流程设计

系统各节点启动时,被设置为协调器的节点会扫描空闲的工作频段,并确定本网络的网络ID和工作频道。设备/路由节点自动扫描寻找协调器节点或已启动的路由节点,而后通过IEEE 802.15.4协议加入网络,完成ZIGBEE网络的自组网。

ZIGBEE网络建立后,协调器节点要通过GPRS网络获取外界真实时间。其他节点进入网络后,都要向协调器或上级路由节点发送确认帧,协调器或上级路由则发回携带系统内部统一的时钟信息的帧确认。各节点在MCU内置的smaRTClock定时器刷新为系统内部时钟后完成初始化。之后,末端设备节点进入睡眠模式。睡眠模式下,XBee2模块以及单片机的大部分功能都进入睡眠,只有单片机的smaRTClock定时器正常运行,并负责唤醒单片机。协调器与路由节点由持续电力供电,永远处于工作模式。

当各节点的smaRTClock定时器到达程序约定的时间点时,所有节点启动数据采集(睡眠节点由smaRTClock定时器中断唤醒)。设备节点的数据或路由节点整理的数据帧都会通过无线网络向上级路由节点或协调器节点发送。稍后,协调器向整个网络发布带有新的系统内部统一时钟的广播帧。其他各节点在刷新系统内部时钟后结束本轮工作,设备节点重新进入睡眠模式。协调器节点则要履行网关节点的职能,将数据融合处理后,通过GPRS网络发往远程数据中心。按照以上系统流程描述,节点程序流程设计如图4～图6所示。

以上流程设计中,系统内存在两种时钟:外界真实时间和系统内统一的相对时钟。外界真实时间只由协调器掌握,在向数据中心汇报数据时,用来标示每一批数据的采集时间。系统内通过统一的系统时钟,令所有监测点同时采集环境数据,使数据具有对比性;通过不断刷新系统时钟,可以实现通过对协调器一个节点的调节来设置整个网络的采样周期。末端设备节点RF模块不发射/接收时,就令其进入功耗极低的睡眠模式,延长了更换电池的时间。按照每小时RF模块启动10s,MCU工作60s估算,两节5号电池可支持设备节点工作14～17个月,系统的免维护程度可以满意。

6 结束语

本文从温室大棚的工作环境与野外环境的差异出发,舍弃了ZIGBEE的动态路由和多径路由选择方式,回避了由复杂的路由选择协议和链路维护协议带来的稳定性、同时性、实时性方面的问题,设计了以少数持续供电节点为骨架的ZIGBEE簇树型网络,实现了低实施成本、低维护量、自动化程度高的温室数据远程集中观测应用,同时为ZIGBEE在其他环境条件下的应用做出探索和参考。

摘要：对ZIGBEE网络搭配GPRS网络架构的温室环境信息远程监测系统进行了设计,着重讨论了适合温室现场特点以及应用具体要求的ZIGBEE网络拓扑结构、架设方式以及节点设计,实现了温室环境信息数据的远程集中监测。

温室远程监控系统设计 第9篇

关键词：温室监测；无线传感器网络；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4

中图分类号： TP393；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0371-03

收稿日期：2013-11-30

基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目（编号：KJ2012B151）；合肥学院科研发展基金（编号：13KY01ZR）。

作者简介：干开峰（1974—），男，安徽和县人，实验师，研究方向为嵌入式系统，无线传感网络。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。无线传感器网络（WSN）作为一种新兴的网络，在近年来得到了迅速发展。其中，IEEE 802.15.4-2006标准于2006年9月份正式发布，是众多WSN的基础。WSN一般并不以孤立网络的形式存在，而是通过一定的方式与互联网相连，以便通过互联网上的设备对其进行管理、控制和访问[1]。IPv6巨大的地址空间可以为每个嵌入式监测设备分配1个全局唯一的IP地址，满足特定应用环境下WSN节点的全球唯一标识的需求[2]。将IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互联网，省去了复杂的协议转换，同时降低了应用成本，极大地扩展了WSN的应用[3]。IPv6和WSN的结合是目前国内外一个较为热门的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作组提出了一种解决方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），实现了IPv6和IEEE802.15.4网络的无缝连接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作组。随着设施农业的发展，全国的大棚数量已经超过百万公顷，但其中80%的大棚缺乏环境监测、监控手段及信息化管理手段[5]。将无线传感器网络应用于农业大棚环境监测系统中已经成为温室监测领域研究的热点。本研究设计基于6LoWPAN的无线传感网络系统，以农业温室大棚环境监测为背景。

1系统总体设计

1.16LoWPAN概述

IEEE 802.15.4作为LoWPAN网络标准，只定义了物理层（PHY层）和MAC层。PHY层包括射频收发器和底层控制模块；MAC层为上层访问物理信道，提供点到点通信的服务接口[6]。IETF 6LoWPAN定义IPv6在IEEE 802.15.4链路上的通信，同时实现与其他IPv6设备之间的互操作。6LoWPAN的网络协议栈如图1所示。

6LoWPAN网络底层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议。为了使IPv6能运行在IEEE 802.15.4标准之上，6LoWPAN在协议栈中引入了1个适配层，该层可以实现网络拓扑管理、地址管理、分片和重组、头部压缩、组播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN体系结构构建的WSN，能够实现设备以全IP方式进行互连。

1.2系统总体方案

基于6LoWPAN无线传感器网络的农业温室大棚环境监测系统包括6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN网关、Internet 主干网和远程终端用户等4个部分，详见图2。

2系统实现

2.16LoWPAN节点设计

6LoWPAN节点硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、传感器和电源组成。

无线收发模块选用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收发器CC2520射频芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM频段，为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载[9]。

数据处理MCU选用ATmega128L处理器，ATmega128L为8位低功耗、高性能的微处理器，具有片内128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同时具有UART、SPI、I2C等总线接口[10]。

在应用于温室大棚环境监测，采集监测区域的温度、湿度和光照强度等信息的过程中，基于性能和价格考虑，温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HS1101，光照强度传感器

选用Po188。

6LoWPAN节点的硬件接口图见图3。

6LoWPAN节点接收来自远程终端用户的查询命令，进行传感器数据采集并发送的数据帧流程见图4。

从无线接口接收的IEEE802.15.4数据帧格式见表1，IEEE802.15.4帧头中的源地址为传感器节点的16位短地址，这样既提高了分片利用率，又加快了节点对数据包的处理速度。

2.26LoWPAN网关设计

6LoWPAN 网关的硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、有线传输网络接口模块和电源组成。

数据处理MCU模块选用Samsung 推出的S3C2440A微处理器，S3C2440A是一种16/32位的RISC結构芯片，内核为ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速缓存结构，具有独立的8字长16 kB 指令缓存器和16 kB数据缓存本系统中由于6LoWPAN节点实现IP方式，6LoWPAN 网关不再负责协议转换，其主要功能是连接WSN与互联网，实现数据包的路由转发[13]。网关内部存储了一张地址映射表，用于传感器节点的IPv6地址和16位短地址的双向快速转换。

nlc202309021927

6LoWPAN 网关收发数据帧流程如图6所示。

4结论

本研究基于无线传感网络技术的发展，以农业温室大棚环境监测为背景，架构6LoWPAN无线传感器网络实时监控系统，对6LoWPAN节点和6LoWPAN的硬件部分和软件部分的设计进行了详细的阐述。通过测试，本系统很好地实现了WSN与IPv6网络之间的直接互联和数据交互，有利于对农业温室大棚环境实时监测、预警以及科学指导。本系统可以在基于IPv6网络的多种无线监测领域进行应用，具有很大的

研究前景和推广价值。

参考文献：

[1]霍宏伟，张宏科，郜帅，等. 一种IPv6无线传感器网络节点的设计与实现[J]. 计算机应用，2006，26（2）：303-306.

[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.

[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.

[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.

[5]袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2012，40（11）：396-397.

[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.

[7]毛妙. 6LoWPAN适配层与ND协议的研究与实现[D]. 上海：华东师范大学，2007.

[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2010，34（1）：56-60.

[9]阮越广. 基于SimpliciTI的无线智能热量表硬件设计[J]. 仪表技术与传感器，2012（1）：34-35，62.

[10]胡强，张海辉，徐巧年. 基于短消息的无线传感器监测系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（2）：113-116，215.

[11]满莎，杨恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J]. 计算机应用，2010，30（9）：2541-2544.

[12]施勇，温阳东. 基于DM9000A的嵌入式以太网接口设计与实现[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（4）：519-524.

[13]王晓喃，錢焕延，唐振民. 基于6LoWPAN的无线传感器网络路由协议[J]. 计算机应用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飞凰，高舸. 适宜马铃薯储藏的环境参数智能调节系统[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：374-376.

温室远程监控系统设计 第10篇

传统农业需要消耗大量的劳动力,生产效率低, 急需要向现代农业的转变。温室技术作为现代农业的重要代表将作物的生长从自然环境独立出来,形成一个可以进行人工控制的半封闭系统[1,2,3]。我国从20世纪90年代开始向温室技术发达的荷兰、美国等国学习,但是由于我国农业生产条件与国外情况不同,不能直接照搬国外的模式[4,5],而需要研发适合我国各地区生产条件的温室控制系统。

针对上述情况设计了一套温室的远程监测和控制系统。由于在各个环境因素中,空气温湿度对作物的生长具有较大的影响,所以系统选择对温室内空气温湿度进行监测和控制。传统的51系列单片机控制系统运算能力以及功能扩展能力差,PLC控制系统成本太高,所以选择了外设丰富、扩展性强以及成本较低的STM32单片机作为温室内的控制器。

1系统总体设计

文中开发了一套基于STM32的温室远程监测和控制系统。通过利用STM32单片机作为温室内的控制器以及MFC编写的远程控制软件可以实现对温室内温湿度远程监测和控制。在STM32控制器设计中加入ENC28J60模块,使控制器可以接入网络,同时在STM32的程序设计中移植Lw IP协议, 使控制器可以通过TCP/IP协议与远程控制软件进行数据通信。STM32控制器直接控制DHT11传感器和继电器模块,DHT11负责测量温室内温湿度,继电器模块负责控制温室内的加热系统和湿帘系统,改变温室内的温湿度。在VC 6. 0平台下利用MFC设计了简单易用的远程控制界面,可以远程监测温室内的温湿度,并对温室内设备进行控制,将控制过程中产生的数据保存到数据库中,系统整体框架如图1所示。

2系统硬件设计

2.1核心处理器的选择

STM32控制器是基于Cortex-M3内核的处理器,具有功耗低、中断延时时间短、门数少、成本低和调试简单等众多优点[6]。STM32在运行模式时即使最大时钟下,电流也仅有27 m A。在待机模式下功耗更是极低,典型的耗电电流仅为2 μA。STM32各个模式之间切换速度很快,从待机模式切换到运行状态只需55 μS,从停机模式下唤醒仅需7 μS,大大提高了单片机的性能。STM32的工作电压为2. 0 ~ 3. 6 V,设有上电 / 掉电复位电路,具有可编程电压监测器,最高72 MHz的工作频率。

STM32具有丰富的外围设备,内置64 K的静态RAM和512K字节的闪存存储器,多达112个GPIO端口,可以按要求配置成输入或输出各四种模式,共有7路通用DMA,负责存储器之间以及存储器和外设之间的直接数据传输,内嵌3个12位的模拟/数字转换器,1条I2C总线连接控制器和外围设备,2条SPI总线,负责一个主设备和多个从设备之间进行数据交换,可以外接以太网接口[7],3个USART串口,1个SDIO接口进行存储器 扩展以及1个JTAG接口可以用于连接计算机进行程序调试。

2.2温湿度传感器的选择

对于温室内的空气温湿度测量,本系统采用的是DHT11传感器。DHT11中集成了数字采集模块, 包括1个测温元件和1个电阻式感湿元件,它的抗干扰能力强、价格便宜、体积小、功耗低,使用方便, 工作电压为3. 5 V[8]。其主要参数如表1所示。

DHT11采用的是单总线数据格式,可以通过一个引脚进行数据的发送和命令的接收,本次设计采用STM32的GPIO_Pin_7引脚来连接DHT11。在STM32中央控制器向DHT11发送开始信号以后, DHT11从低功耗模式唤醒,进入高速模式状态,并对STM32的开始信号进行响应,双方确认以后, DHT11把测得的 数据封装 在数据包 中发送到STM32控制器,发送完以后会触发采集信号继续进行数据的采集。在STM32中央控制器向DHT11发送结束信号后,DHT11停止测量数据,重新进入低功耗模式,DHT11和STM32之间通信一次的时间最大为3 ms左右。

2.3继电器模块的设计

设计中执行设备的状态是“二位”形式,即只有 “打开”和“关闭”2种状态,可以通过继电器进行控制。本次设计采用的是电磁继电器,型号为欧姆龙G2R - 1A-E。电磁继电器的组成部分有铁芯、线圈、 衔铁和簧片,利用电磁效应通过在线圈两端加电压产生电流继而产生电磁力,对衔铁产生吸引力,控制开关。本次设计为每个执行设备连接一个电磁继电器。

2.4网络接口设计

设计中采用STM32外接以太 网控制器ENC28J60与远程控制软件进行通信。ENC28J60是美国微芯科技公司开发的,共有28个引脚,体积小、 使用方便,价格便宜[9]。该芯片带有SPI接口,可以通过SPI接口与STM32控制器进 行连接。 ENC28J60的工作频 率是25 MHz,工作电压 为3. 3 V。ENC28J60中的存储器以静态RAM方式实现。STM32通过使用SPI接口对ENC28J60芯片的寄存器写入控制参数和接收数据,实现以太网功能。

3系统软件设计

3.1LwIP协议的移植

Lw IP协议是一种主要应用于嵌入式系统中的轻量级的TCP/IP协议。Lw IP协议源码开放,在保持了TCP/IP协议的基本功能的前提下代码尽量精简、占用内存小、方便裁剪和调试[10,11]。Lw IP在STM32上的移植工作主要包含2方面内容: 一是修改文件ethernetif. c和文件sys_arch. c; 二是编写网络驱动程序。

ethernetif. c文件是Lw IP协议栈和STM32网络驱动程序之间的接口,主要工作就是对文件中的函数进行修改及编写。其中low_level_init函数设定了网卡的物理地址和每帧最大传输字节数该函数对netif结构体的MAC成员neitif - > hwaddr赋值为macaddress数组的值,对netif - > flags赋值使其可以使用广播地址、使能ARP功能。low_level_output函数负责向上层发送数据,以pbuf结构体作为参数,利用for循环调用memcpy函数把q-> payload链表中的数据都取出来存放在数组中,最后调用驱动函数将数据发送出去。

sys_arch. c文件在移植时只需要对各个功能函数进行修改即可。sys_mbox_new是使用 μC /OS-Ⅱ 提供的消息队列机制创建一个空的消息队列,sys_ mbox_free函数的功能是进行队列的删除工作,当该队列中还有未被取出的消息时,该函数会报错,并向应用程序发出通知。sys_mbox_post函数用于将消息发送至消息队列中,如果消息没有发送,该函数会进入阻塞状态。sys_mbox_trypost用于尝试将某个消息发送至消息队列中,如果消息被成功发送返回成功,否则返回失败。sys_arch_mbox_fetch用于从消息队列中取出一条消息,若调用该函数的线程在指定时间内未取到消息会发生阻塞,当超过指定时间以后恢复至就绪状态。sys_arch_mbox_tryfetch尝试从消息队列中取出消息。

设计中采用ENC28J60在Lw IP中用netif结构体来描述网络接口,通过对netif结构体中的各个成员进行赋值来实现网。netif结构体中定义了指向下个网络接口的指针、IP地址、网络掩码、网关以及用于实现以太网接收、发送数据包的函数等内容[12]。 在驱动中所要完成的任务就是实现网络的初始化、 数据的接收发送以及终端等任务,最终通过硬件接口函数可以实现对硬件的驱动。

3.2测量程序的设计

DHT11发送的数据包大小为40 bit,包括测得的空气温度的整数部分8 bit,空气温度小数部分为8 bit,空气湿度整数部分8 bit,空气湿度小数部分8 bit,还有8 bit是进行数据校验,大小为前面4个字节的和。

当DHT11进行接收主机命令和向主机发送数据时,GPIO_Pin_7引脚分别被配置成和上拉输入模式和推挽输入模式。其中STM32从DHT11读取数据的程序如下所示。

其中参数temp表示测量 的温度值,范围为0 ℃ ~ 50 ℃ ,参数humi表示测量的湿度值,范围为20% ~ 90% 。DHT11 _ Rst是DHT11的复位函数, DHT11_Check函数检测DHT11是否连接好,若连接好则进行数据的读取。

3.3控制程序的设计

加热系统和湿帘系统通过继电器控制通断,两个继电器分别通过GPIOB的7和8两个引脚进行控制。引脚的输出模式配置为通用推挽输出模式, 速率配置为2 MHz。GPIO_Set Bits函数使引脚输出高电平,继电器导通,控制相应的执行设备运行, GPIO_Reset Bits函数使引脚输出低电平,将继电器断开,控制相应的执行设备关闭。STM32中的程序执行过程如图2所示。

3.4远程控制软件的设计

文中设计的远程控制软件是在美国微软公司发行的VC 6. 0平台上利用MFC进行开发的[13],设计的主控制界面如图3所示。

从图3中可以看出主控界面主要包括实时监测模块和设备控制模块两大部分,实时监测模块主要包括对温室内温湿度进行上限和下限的设置,以及STM32控制器传送的实时数据的显示,可以选择将测得的数据保存到数据库中,并进行历史数据的查询。设备控制模块的主要功能是对温室内进行环境调节的执行设备进行控制,可以选择手动控制和自动控制2种模式。 远程控制 软件与STM32F103VET6中央控制器之间采用TCP / IP协议进行通信,规定了设备之间进行数据传输的标准格式。2个设备在进行数据传输时会建立起一条虚拟的网络通道,数据和控制命令封装成数据包的形式在这条通道上进行传输。远程控制软件与STM32通信的过程如图4所示。

设计中采用SQL Sever 2008数据库保存系统运行过程中产生的温室环境数据和执行设备控制信息等数据。用户可以对数据库中的数据进行保存、查询、 删除和维护操作,准确快速地获取所需要的数据。

4结束语

将设计好的程序烧写到STM32单片机中,调试成功以后将STM32通过ENC28J60接入网络。在远程控制软件上通过IP地址和端口号与STM32建立连接,在控制软件上可以直接获取温室内的温湿度数据,并可以设置温湿度的上下限范围,当温湿度超过设置的范围时,可以直接在控制软件上控制加热系统和湿帘系统的通断,来改变温室内的温湿度,达到适合作物生长的环境。

文中利用STM32单片机作为温室内的控制器, 实现了通过网络对温室内温湿度的远程测量和控制。由于温室内的CO2浓度和光照强度对植物的生长也有影响,所以可以对系统进行功能扩展,控制更多的环境变量,使系统可以更好地营造植物生长的环境。

摘要：针对目前温室控制中的网络化程度不足,设计了以测量和控制温室内温湿度为目的温室远程监测和控制系统。系统采用STM32单片机作为温室内的控制器,通过温湿度传感器DHT11测量温室内的空气温湿度,并通过继电器模块控制温室内的加热系统和湿帘系统,实现对温室内温湿度的调节。在STM32控制器的设计中加入ENC28J60模块,并在STM32上进行Lw IP协议的移植,使STM32控制器可以接入网络。利用MFC编写的远程控制软件可以通过TCP/IP协议与STM32进行通信,进行数据的接收、处理以及存储,实现对温室内温湿度的远程监测和控制。