郭玉萍，楊一平，楊福營(yíng)

GUO Yu-ping, YANG Yi-ping, YANG Fu-ying

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，許昌 461000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，時(shí)令蔬菜和反季節(jié)蔬菜越來(lái)越受到人們的歡迎，而時(shí)令蔬菜和反季節(jié)蔬菜一般是在大棚中生產(chǎn)的，在大棚蔬菜的生產(chǎn)過(guò)程中，蔬菜大棚中溫度和濕度指標(biāo)始終是蔬菜生長(zhǎng)的兩大重要因素，大棚中的溫度和濕度不僅決定蔬菜的生長(zhǎng)狀況，而且對(duì)病蟲(chóng)害防治、蔬菜的質(zhì)量干系重大，因此蔬菜大棚的溫度和濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤其重要了。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，對(duì)蔬菜大棚的溫度和濕度的檢測(cè)、分布式聯(lián)片檢測(cè)、多點(diǎn)檢測(cè)已成為可能。本文通過(guò)傳感器技術(shù)、短信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、微機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了蔬菜大棚溫度、濕度控制網(wǎng)絡(luò)，可分布式聯(lián)片多個(gè)蔬菜大棚溫度、濕度控制或在一個(gè)蔬菜大棚內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度多點(diǎn)控制。

1 系統(tǒng)組成

蔬菜大棚溫度、濕度控制系統(tǒng)由以下網(wǎng)絡(luò)組成：

檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)：主要由溫度傳感器和濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)等組成，可通過(guò)溫度傳感器和濕度傳感對(duì)多個(gè)蔬菜大棚分布式聯(lián)片檢測(cè)或一個(gè)蔬菜大棚內(nèi)的多點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，從而完成溫度和濕度的檢測(cè)。檢測(cè)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理功能，單片機(jī)輸出的溫度和濕度信號(hào)，通過(guò)RS485接口傳遞給短信GSM網(wǎng)絡(luò)。

短信網(wǎng)絡(luò)：短信GSM網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送網(wǎng)絡(luò)把信號(hào)發(fā)送出去，短信GSM網(wǎng)絡(luò)的接受網(wǎng)絡(luò)把信號(hào)接受。

主程序運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)：短信GSM網(wǎng)絡(luò)的接受網(wǎng)絡(luò)把接收到的信號(hào)通過(guò)RS232接口傳遞給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成主控程序運(yùn)行。

控制網(wǎng)絡(luò)：計(jì)算機(jī)處理后數(shù)據(jù)，可控制報(bào)警裝置、顯示裝置、打印機(jī)等工作，或者控制相應(yīng)的溫度和濕度調(diào)整裝置進(jìn)行工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 GSM短信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

GSM短信網(wǎng)絡(luò)采用廈門(mén)宇能電力科技有限公司生產(chǎn)的YN1010—DTU短信模塊。YN1010-DTU GSM短信息數(shù)據(jù)傳輸模塊是由GSM移動(dòng)通信模塊和數(shù)據(jù)通信處理模塊兩大部分構(gòu)成，該模塊利用GSM移動(dòng)通信領(lǐng)域的短信息技術(shù)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)帶通信功能的終端的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸。模塊是以GSM短信息通訊及單片機(jī)技術(shù)為核心，自動(dòng)完成短信息管理中心發(fā)出的短信息命令的接收解碼、終端返回?cái)?shù)據(jù)的編碼發(fā)送。 模塊采用大規(guī)模集成電路技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、抗干擾技術(shù)及 RS485、RS232通信技術(shù)，線(xiàn)路設(shè)計(jì)和元器件的選擇以較大的環(huán)境適應(yīng)性為依據(jù)，可保證長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。模塊具有體積小、重量輕、安裝容易，操作簡(jiǎn)便、可靠性能高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4,5]。

圖1 GSM短信網(wǎng)絡(luò)

YN1010—DTU GSM短信數(shù)據(jù)傳輸模塊與YN1010短信控制機(jī)配合使用組成一套完整的GSM短信數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：管理中心電腦通過(guò)R232接口將終端的命令按通信協(xié)議送入YN1100短信控制機(jī)，YN1100將命令組合打包通過(guò)短信方式傳送到Y(jié)N1010—DTU，YN1010—DTU將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包校驗(yàn)，并將完整的命令通過(guò)RS485或RS232下傳到終端，終端返回的數(shù)據(jù)再通過(guò)RS485或RS232送入YN1010—DTU，YN1010—DTU將數(shù)據(jù)組合打包再以短信方式傳輸?shù)結(jié)N1100短信控制機(jī)，YN1100短信控制機(jī)將數(shù)據(jù)解包校驗(yàn)后送入電腦[5-8]，如圖1所示。

2.2 集成溫度傳感器AD590檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，實(shí)際上中國(guó)也開(kāi)發(fā)出了同類(lèi)型的產(chǎn)品SG590，這種器件在被測(cè)溫度一定時(shí)相當(dāng)于一個(gè)恒流源，該器件具有良好的線(xiàn)性和互換性，測(cè)量精度高，并具有消除電源波動(dòng)的特性，性能穩(wěn)定，靈敏度高，無(wú)需補(bǔ)償，熱容量小，抗干擾能力強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離測(cè)溫且使用方便，即使電源在5-15V 之間變化，其電流只是在1微安以下作微小變化[3]。

AD590是電流型溫度傳感感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。AD590集成溫度傳感器電路設(shè)計(jì)，如圖所示。電流型AD59O集成溫度傳感器是一種輸出電流與溫度成比例的電流源器件，即輸出電流是溫度的函數(shù)。在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先應(yīng)將電流轉(zhuǎn)換成電壓。AD590溫度傳感器的信號(hào)是整個(gè)電路的總電源電流，該電流與施加這個(gè)電路上的電壓源大小無(wú)關(guān) (從5伏到15伏左右)，整個(gè)電路相當(dāng)于一個(gè)串入使用的溫度敏感的恒流源，溫度靈敏度為1( A/K)。輸出電流I與絕對(duì)溫度K成正比，若用攝氏溫度表示，則要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，關(guān)系式為：

I=KTTC+273.2或I=KTTK

式中KT為標(biāo)定因子，AD590標(biāo)定因子為1LA，KT為開(kāi)氏溫度，TC為攝氏溫度，I的單位為L(zhǎng)A，當(dāng)攝氏溫度為零時(shí)，輸出電流為273.2LA[6]。

AD590溫度檢測(cè)電路，如圖2所示。圖2中，采用美國(guó)德州儀器公司(TI)新近開(kāi)發(fā)的 16 位RISC指令單片機(jī)MSP430F149作為中央處理機(jī)，它的突出優(yōu)點(diǎn)是超低功耗和功能集成，非常適合于自動(dòng)信號(hào)采集、液晶顯示、智能化儀器等便攜式裝置中。 MSP430F149 的工作電壓 1.8～3.6V，有 5 種超低功耗工作模式可以切換到活動(dòng)模式，不用擴(kuò)展系統(tǒng)。單片機(jī)MSP430F149有八個(gè)通道[1～3]，可以對(duì)八個(gè)大棚或一個(gè)大棚內(nèi)的八個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)，AD590檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，完成數(shù)字采集，通過(guò)串行口傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)生，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、大數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)算法理論。E-mail:969308497@qq.com；

圖2 溫度傳感器AD590檢測(cè)電路

MSP430F149與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信是通過(guò)RS232通信模塊實(shí)現(xiàn)的。RS232 模塊主要由 Maxim 公司的 MAX232/ MAX232A 接收/發(fā)送器組成，是Maxim公司特別為滿(mǎn)足EIA/TEA 232E的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。它們?cè)?EIA/TIA 232E標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口中日益得到廣泛的應(yīng)用，功耗低、工作電源為單電源，外接電容僅為 0.1μF或 1μF；采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態(tài)TTL COMS等，為雙組RS232接收/發(fā)送器，工作電源為+5V，波特率高，價(jià)格低，可在一般需要串行通信的系統(tǒng)中使用。

2.3 集成濕度傳感器IH3605檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

IH3605內(nèi)部的兩個(gè)熱化聚合體層之間形成的平板電容器電容量的大小可隨濕度的不同發(fā)生變化，從而可完成對(duì)濕度信號(hào)的采集[2～11]。熱化聚合體層同時(shí)具有防御污垢、灰塵、油及其它有害物質(zhì)的功能。

IH3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數(shù)。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高，在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)以下兩個(gè)步驟可計(jì)算出實(shí)際的相對(duì)濕度值。

1）首先根據(jù)下述計(jì)算公式，計(jì)算出25℃溫度條件下相對(duì)濕度RH0。

VOUT=VDC(0.0062RH0+0.16)

其中VOUT為IH3605的電壓輸出值，VDC為IH3605的供電電壓值，RH0為25℃時(shí)的相對(duì)濕度值。

2）由于在不同溫度下濕度傳感器的線(xiàn)性率會(huì)發(fā)生變化，故需進(jìn)行比例和偏差系數(shù)校正[13]。通過(guò)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，計(jì)算出當(dāng)前溫度下的實(shí)際相對(duì)濕度值RH。

其中RH為實(shí)際的相對(duì)濕度值，t為當(dāng)前的溫度值，單位為℃，溫度探頭采用DS1820,在單片機(jī)內(nèi)將讀到的濕度值進(jìn)行溫度校正，得到實(shí)際的相對(duì)濕度值[4-10]。

由于IH3605的輸出電壓較高且線(xiàn)性較好，因此電路無(wú)需進(jìn)行信號(hào)放大及信號(hào)調(diào)整，可以將IH3605的輸出信號(hào)直接接到A/D轉(zhuǎn)換器上，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。由于IH3605的輸出信號(hào)范圍為0.8～3.9V（25℃時(shí)），所以選擇具有設(shè)定最小值和最大值功能的A/D轉(zhuǎn)換器。

IH3605濕度檢測(cè)電路，如圖3所示。其核心器件采用AT89C2051單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D轉(zhuǎn)換器，R1、R2、R3設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓，R4、R5、R6設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的最小輸入電壓，溫度探頭D2采用DALLAS公司的全數(shù)字式測(cè)溫集成電路DS1820，由P10口讀入溫度值，在單片機(jī)內(nèi)將讀到的濕度值進(jìn)行溫度校正，得到實(shí)際的相對(duì)濕度值。

圖3 濕度傳感器IH3605檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

3 網(wǎng)絡(luò)連接

圖4所示，系統(tǒng)間的通信采用RS485接口[6]。手機(jī)模塊與單片機(jī)、微機(jī)之間通訊時(shí)，通過(guò)手機(jī)的通信接口，由單片機(jī)控制開(kāi)、關(guān)機(jī)和發(fā)送、接受短信，因此手機(jī)既可以與微機(jī)通信，又可以與單片機(jī)通信。

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 終端用戶(hù)軟件

終端用戶(hù)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言，主要完成各種參數(shù)的設(shè)置、溫度檢測(cè)通道的選擇、濕度檢測(cè)通道的選擇、溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及與計(jì)算機(jī)通過(guò)手機(jī)短信GMS SMS數(shù)據(jù)傳送等功能，單片機(jī)在完成一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程后，將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送，傳輸方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。程序?yàn)闉槟K化結(jié)構(gòu)，各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，分為初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示程序模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)串行通信程序模塊，這樣可以使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。其軟件流程如圖5所示。

4.2 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖5 軟件流程圖

計(jì)算機(jī)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，互相融合，共享數(shù)據(jù)文件，完成手機(jī)短信GMS SMS的發(fā)送和終端用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳送、溫度和濕度的計(jì)算及顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)置、查詢(xún)、打印、報(bào)警等。

4.3 短息調(diào)試

如圖6所示，雙擊SMSTest文件，彈出主界面，在站點(diǎn)SIM卡號(hào)文本框中填寫(xiě)YN1010—DTU手機(jī)號(hào)碼；在發(fā)送命令文本框中填寫(xiě)用戶(hù)顯示命令；按發(fā)送短信按鈕發(fā)送顯示命令；YN1100短信控制機(jī)接受數(shù)據(jù)顯示在接受內(nèi)容文本框中，接受短信手機(jī)號(hào)碼在來(lái)信SIM卡號(hào)文本框中[5-11]。

4.4 控制網(wǎng)絡(luò)

控制系統(tǒng)的上位管理計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，安裝在控制管理室內(nèi)，以控制管理室為中心，監(jiān)控系統(tǒng)主要完成多棚聯(lián)片溫室的溫、濕度測(cè)控或一棚多點(diǎn)溫室的溫、濕度測(cè)控及管理功能。

圖6 短息調(diào)試圖

每個(gè)溫室大棚的耳房或單個(gè)大棚的監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)安裝有一臺(tái)智能控制器，與現(xiàn)場(chǎng)溫、濕度探頭及滴灌控制電磁閥共同組成現(xiàn)場(chǎng)控制站?，F(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)有手動(dòng)灌溉系統(tǒng)切換裝置，以便在溫室斷電、現(xiàn)場(chǎng)控制器故障、電磁閥故障等情況出現(xiàn)時(shí)使用。RS - 485 總線(xiàn)通信系統(tǒng)選用非屏蔽雙絞線(xiàn)，施工布線(xiàn)采取地埋方式，溝深1.5米，有PVC套管保護(hù)，并且冗余備用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）利用溫度傳感器可以采集到具體測(cè)試點(diǎn)的溫度，測(cè)試準(zhǔn)確，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以短信的形式進(jìn)行發(fā)送。

2）利用濕度度傳感器可以采集到具體測(cè)試點(diǎn)的濕度并校正，測(cè)試準(zhǔn)確，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后傳送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以短信的形式進(jìn)行發(fā)送。

3）短信系統(tǒng)進(jìn)行短信處理，并發(fā)送和接受。

4）通過(guò)控制中心的管理作用，控制大棚內(nèi)的溫度和濕度，使得大棚內(nèi)溫度、濕度達(dá)到蔬菜生長(zhǎng)的最佳理想環(huán)境。

通過(guò)上述網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、短信的傳送，并通過(guò)相應(yīng)的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚內(nèi)各點(diǎn)的溫度和濕度或不同蔬菜大棚內(nèi)溫度和濕度的控制，較好的完成蔬菜大棚內(nèi)蔬菜的種植。

6 結(jié)論

濕度、溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，單片機(jī)技術(shù)的智能控制也配置靈活，短信GSM網(wǎng)絡(luò)操作更加簡(jiǎn)便，它們組成的分布式控制系統(tǒng)在聯(lián)片溫室大棚或一棚多點(diǎn)測(cè)控項(xiàng)目上的應(yīng)用，增加了作物產(chǎn)量，減少了病害的發(fā)生，避免了因誤差或滯后帶來(lái)的損失，提高了該領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，是較為理想的經(jīng)濟(jì)型監(jiān)控裝置，并有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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