劉建軍,郝尚富

(河北北方學院信息科學與工程學院,河北張家口075000)

隨著人民生活水平的不斷提高,人們越來越重視生活、工作環(huán)境的美化.而布置觀賞花卉是一種很好的美化方式,同時觀賞花卉在各種慶典活動和禮儀儀式上更是必不可少的.因此,花卉養(yǎng)殖和銷售有著廣泛的市場.但是,觀賞花卉對養(yǎng)殖和銷售環(huán)境的溫濕度要求很高,多數花卉要求環(huán)境溫度在15℃～35℃之間,相對濕度在60%～80%之間.沒有合適的溫濕度條件,會嚴重影響花卉的生長和觀賞效果.對于我國北方地區(qū),秋、冬和春季空氣干燥,晝夜溫差大,特別是冬季,平均空氣相對濕度在20%以下,晝夜溫差可達到15℃～20℃,這種氣候條件對花卉養(yǎng)殖和銷售帶來很大的影響[1].所以,花卉大棚中必須有采暖/降溫和加濕/通風系統(tǒng),以便根據大棚溫濕度情況進行調節(jié).由于受經濟和技術條件的限制,多數大棚采用人工方式進行檢測和控制.對于規(guī)模較大的大棚,人工方式既不方便又浪費人力,且不易保存溫濕度歷史數據.

嵌入式大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是利用嵌入式系統(tǒng)的強大處理/控制能力和高可靠性、實時性、低功耗、低成本和應用靈活的特點[2],用一片A TM EL公司的ARM 7TDM I處理器A T91SAM 7X256構成嵌入式Web Server,通過RS-485總線將多個數據采集/控制模塊 (監(jiān)控儀表)連接起來從而構成多點監(jiān)控網絡[3].嵌入式Web Server可以實時采集各個監(jiān)控點的溫濕度數據,同時嵌入式Web Server具有以太網接入功能,可以將采集到的數據通過局域網或Internet傳輸到監(jiān)控計算機[4].系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示.

根據實際應用的要求,溫濕度控制設備的啟動與停止可以有各個監(jiān)控儀表分別控制,也可以由嵌入式Web Server集中控制.

1 嵌入式Web Server

嵌入式Web Server的主要功能是以Web頁面的形式向監(jiān)控計算機提交從監(jiān)控儀表采集到的數據,并完成對監(jiān)控儀表的控制和對整個監(jiān)控系統(tǒng)的設置與訪問控制.具體功能如下：

采用巡檢方式,對網絡中各個監(jiān)控點進行實時監(jiān)控.若出現監(jiān)控點溫濕度超出設定范圍5 min以上,則聲光報警并啟動溫濕度調節(jié)設備.

監(jiān)控計算機通過IE瀏覽器可以設置各個監(jiān)控點的溫濕度上下限.

具有系統(tǒng)參數設置功能和訪問控制功能,可以設置嵌入式Web Server的IP地址、子網掩碼、網關、用戶名和密碼等參數.

嵌入式Web Server硬件電路以ARM 7內核微處理器芯片A T91SAM 7x256為處理器,同時構建基于微處理器的最小系統(tǒng)和以太網接口電路及RS-485接口電路構成.最小系統(tǒng)由保證微處理器能夠穩(wěn)定運行所必需的基本電路組成,包括ARM 7微處理器、電源電路和晶體振蕩電路,以太網接口電路由一片工業(yè)級以太網芯片DM 9161AE及其外圍電路來實現Internet接入[3].

一般的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分設計為前后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng) (Super-Loops).應用程序是一個無限的循環(huán),循環(huán)中調用相應的函數完成相應的操作,中斷服務程序處理異步事件.因為中斷服務提供的信息一直要等到后臺程序走到該處理這個信息這一步時才能得到處理,所以前后臺系統(tǒng)不能最大程度的保證監(jiān)控的實時性[6].本系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ和嵌入式 TCP/IP協議棧Lw IP結合的方式,系統(tǒng)任務的切換由μC/OS-Ⅱ任務調度機制實現,可以充分保證系統(tǒng)的實時性.Lw IP實現了監(jiān)控系統(tǒng)的以太網接入功能.

μC/OS-Ⅱ是一個完全開放源代碼的通用嵌入式實時操作系統(tǒng),已經廣泛應用于醫(yī)療、軍事、航天、消費電子、通信和工業(yè)控制等領域,其可靠性得到了美國聯邦航空管理局的認證.和其他嵌入式實時操作系統(tǒng)相比,μC/OS-Ⅱ具有體積小、可剪裁和實時性強等特點,非常適合于實時監(jiān)控系統(tǒng)[7].由于μC/OS-Ⅱ設計為一個通用操作系統(tǒng),所以在使用時需要根據目標處理器的體系結構進行相應的移植.μC/OS-Ⅱ本身沒有集成 TCP/IP協議棧,所以需要將Lw IP移植到μC/OS-Ⅱ[8-10].

由于A T91SAM 7x256內部集成了256KB的FLASH和64 KB的SRAM,對于本系統(tǒng),將μC/OS-Ⅱ和Lw IP移植后,大概只需要60 KB的存儲空間,再加上系統(tǒng)應用程序部分,整個軟件系統(tǒng)大概需要65 KB的存儲空間,而64 KB的SRAM做為系統(tǒng)的運行空間也是足夠的,所以系統(tǒng)不需要另外擴展存儲空間.這樣既簡化了系統(tǒng)的設計,同時也提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了功耗.另外,片內集成的FLASH和SRAM的訪問速度要比片外擴展的存儲空間的訪問速度快,穩(wěn)定性更好,系統(tǒng)運行更加流暢.系統(tǒng)網絡參數、用戶名和密碼存儲在A T91SAM 7x256內部FLASH中.

圖1 大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 數據采集 /控制模塊 (監(jiān)控儀表)

監(jiān)控儀表主要實現數據的采集和對采暖/降溫和加濕/通風系統(tǒng)的控制.

電路部分由單片機電路、數字溫濕度傳感器和RS-485接口電路構成.單片機采用A TM EL的A TM EGA 16L微控制器,數字溫濕度傳感器采用瑞士森斯瑞 (Sensirion)公司推出的SH T15型超小型、自校準、多功能式智能傳感器,SH T15溫濕度傳感器的相對濕度測量范圍0～100%,分辨率達0.03%,最高精度為±2%RH,溫度測量范圍-40～+123.8℃,分辨率為0.1℃,響應時間小于3 s[11].由于花卉大棚的采暖/降溫和加濕/通風設備是開關設備,控制算法采用Bang-Bang控制.即通過設定被控量的上下限,通過控制儀表的繼電器輸出來控制各個設備的啟動或停止.

軟件部分主要由數據采集程序和RS-485通信程序構成,數據采集程序負責讀取數字傳感器采集到的溫濕度數據并將其存儲到A TM EGA 16L微控制器的片上RAM.RS-485通信程序負責接收嵌入式Web Server發(fā)來的控制命令并向嵌入式Web Server提交數據.

3 RS-485網絡

RS-485是EIA制定的兩線、半雙工多點通信標準.RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力.加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,能檢測低至200 m V的電壓,故傳輸信號能在千米以外得到恢復.RS-485采用半雙工工作方式,任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài),因此,發(fā)送電路須由使能信號加以控制.RS-485用于多點互連時非常方便,可以省掉許多信號線.應用RS-485可以聯網構成分布式系統(tǒng),其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器.RS-485的最大傳輸距離約為1 219 m,最大傳輸速率為10 M bp s.平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,在100 Kbp s速率以下,才可能使用規(guī)定最長的電纜長度.為了達到較大的監(jiān)控范圍,本系統(tǒng)中RS-485的傳輸速率設定為9 600 Baud,嵌入式Web Server和監(jiān)控儀表之間采用MODBUS協議通信.

4 結 論

本系統(tǒng)已經在某花卉大棚得到應用,監(jiān)控面積2 000 m2,共設5個監(jiān)控點,各監(jiān)控點經RS-485總線連接到嵌入式Web Server.通過TL-WR340G+路由器接入市場局域網和Internet.在 TL-WR340G+上將嵌入式Web Server配置為虛擬服務器,然后申請花生殼動態(tài)域名并在 TL-WR340G+上進行配置,從而實現了外網通過Internet對監(jiān)控系統(tǒng)的遠程訪問.根據花卉市場的要求和北方氣候特點,將溫度上下限預設為15℃～35℃,濕度上下限預設為60%～80%RH[12].為了監(jiān)測系統(tǒng)的性能和可靠性,使用VB6.0編寫了簡單的網頁數據采集程序,每隔20 min獲取一次溫濕度數據及報警情況,并將獲取到的數據存儲到mdb數據庫以便分析和統(tǒng)計,系統(tǒng)24 h實測數據統(tǒng)計如圖2.

以上是2009年9月18日的溫濕度數據,溫度數據曲線變化趨勢與當日氣溫曲線趨勢基本吻合,但要高于室外氣溫5～8℃.4～10月份溫度數據受人員活動的影響并不大,但在11～3月份,由于室內外溫差大,所以溫度數據會有較大的起伏,應重點監(jiān)控.室內濕度曲線的變化主要受營業(yè)人員的活動及客流的影響,有時變動幅度較大.統(tǒng)計結果說明本系統(tǒng)能實時采集大棚溫濕度數據,且采集到的溫度數據與實測數據的誤差≤0.5℃,濕度數據與實測數據的誤差≤3%RH.能根據溫濕度上下限發(fā)出報警信息和控制信號.系統(tǒng)連續(xù)運行60 d無故障出現,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,數據準確,性能完全滿足應用需求.

隨著我國大棚農業(yè)的發(fā)展,智能溫濕度監(jiān)控將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工監(jiān)控.本系統(tǒng)以其智能監(jiān)控、高可靠性、低成本和應用靈活性將得到廣泛應用.

圖2 系統(tǒng)24h實測數據統(tǒng)計2009年9月18日溫度及報警曲線

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