湯單成　張志成　劉夫興

【摘 要】論文設(shè)計(jì)了一個(gè)果蔬大棚溫濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)軟件上監(jiān)視與控制任意一個(gè)大棚的溫度和濕度。該系統(tǒng)具有控制便捷、智能化程度高的特點(diǎn)，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】溫濕度；溫室大棚；422通行網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)

0.引言

目前中國(guó)北方在冬季種植反季節(jié)蔬菜水果仍采用落后的生產(chǎn)方式，以經(jīng)驗(yàn)和人體感官來(lái)管理溫室大棚，這樣使得蔬菜水果并不能獲得最好的生長(zhǎng)環(huán)境，也不能生產(chǎn)出上層的產(chǎn)品。如果能有一個(gè)系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)溫濕度環(huán)境的控制，又可以實(shí)現(xiàn)高度智能化，則有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，緩解甚至解決北方果蔬市場(chǎng)需求問(wèn)題。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能

圖1

圖2

圖1所示為果蔬大棚溫濕度監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的原理圖。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)控制終端和若干個(gè)大棚組成（本項(xiàng)目只以三個(gè)為例）。系統(tǒng)控制終端的上位機(jī)窗口可以實(shí)時(shí)監(jiān)視所有大棚內(nèi)的溫濕度并且修改任一大棚內(nèi)的溫濕度變化范圍。當(dāng)其中一個(gè)大棚內(nèi)的溫度或濕度越過(guò)預(yù)設(shè)界限時(shí)，上位機(jī)窗口顯示大棚溫濕度并發(fā)出指示燈和語(yǔ)音越界報(bào)警。假如1號(hào)大棚內(nèi)的溫度測(cè)試點(diǎn)1的溫度高于預(yù)設(shè)值，濕度低于預(yù)設(shè)值，那么上位機(jī)窗口在1號(hào)大棚的顯示區(qū)域內(nèi)，溫度指示燈變紅色（指示燈為紅色則實(shí)際值高于預(yù)設(shè)上邊界值，為黃色則在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，為藍(lán)色則低于預(yù)設(shè)值），濕度指示燈變藍(lán)色，語(yǔ)音播出“1號(hào)大棚內(nèi)，溫度過(guò)高，濕度過(guò)低”。

每個(gè)大棚內(nèi)的預(yù)設(shè)的溫濕度界限值，只需在上位機(jī)窗口輸入相應(yīng)的值，上位機(jī)自動(dòng)將預(yù)設(shè)值發(fā)送給對(duì)應(yīng)大棚內(nèi)的處理器。上位機(jī)窗口顯示各個(gè)大棚內(nèi)的溫濕度值，則是實(shí)時(shí)更新。圖2所示為大棚內(nèi)部小系統(tǒng)，由一個(gè)單片機(jī)（ATMEGA16）和三個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn)組成。這三個(gè)點(diǎn)分布在大棚內(nèi)的不同位置。單片機(jī)對(duì)大棚內(nèi)的三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理、發(fā)送至上位機(jī)，同時(shí)也接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。在大棚中的每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都對(duì)應(yīng)有加濕機(jī)和除濕機(jī)，可以很好解決大棚內(nèi)溫濕度局部不均的現(xiàn)象。當(dāng)溫度或濕度不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，單片機(jī)則直接控制加濕機(jī)或加熱機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。然后再發(fā)送溫濕度數(shù)值。所以大棚內(nèi)部是一個(gè)很獨(dú)立的系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)控制大棚內(nèi)的溫濕度。與上位機(jī)之間通信只是接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的溫濕度預(yù)設(shè)指令和發(fā)送大棚內(nèi)實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)值。大棚與上位機(jī)之間通信采用422通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸數(shù)據(jù)性能可靠，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。422通信網(wǎng)絡(luò)可以接入若干個(gè)大棚。只需在通信總線上接入大棚內(nèi)單片機(jī)通信接口就可以很好實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與每個(gè)大棚之間通信（此處為422總線不同于傳感器的單總線）。所有大棚統(tǒng)一由上位機(jī)管理。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

上位機(jī)是基于windows操作系統(tǒng)編寫(xiě)，所以硬件無(wú)需再設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口線，即可解決UT-203與PC機(jī)之間連接。

目前通用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要有RS232、RS422和RS485，其中RS232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議，傳輸距離短，抗干擾性差；RS 485與RS422均為平衡通信接口，但RS485他只有一對(duì)雙絞線，工作于半雙工模式。RS422屬于一種平衡通信接口，采用全雙工通信模式，傳輸速率高達(dá)10Mb/s，傳輸距離長(zhǎng)2000m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。由于其各方面的優(yōu)異性能，本項(xiàng)目選用422通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信。

在此，我們通過(guò)使用UT-203RS232轉(zhuǎn)RS485/422轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)， 此轉(zhuǎn)換器能夠?qū)味说男盘?hào)轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS-422信號(hào)，可將通信距離延長(zhǎng)至1.2公里，無(wú)需外接電源采用獨(dú)特的“RS-232電荷泵”驅(qū)動(dòng)，不需要靠初始化RS-232串口可得到電源， 內(nèi)部帶有零延時(shí)自動(dòng)收發(fā)轉(zhuǎn)換，獨(dú)有的電路自動(dòng)控制數(shù)據(jù)流方向，而不需任何握手信號(hào)（如 RTS、DTR等），無(wú)需跳線設(shè)置實(shí)現(xiàn)全雙工（RS-422）模式轉(zhuǎn)換，從而保證了RS-232在全雙工方式下編寫(xiě)的程序無(wú)需更改便可在RS-422方式下運(yùn)行，確保適合現(xiàn)有的操作軟件和接口硬件。轉(zhuǎn)換器的傳輸速率300-115.2Kbps，完全可以實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目中上位機(jī)與單片機(jī)之間構(gòu)成點(diǎn)到多點(diǎn)遠(yuǎn)程多機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。只需將一個(gè)UT-203接上位機(jī)，再用3個(gè)UT-203依次接三個(gè)大棚，將UT-203連接在一起，見(jiàn)圖1所示的連接方式。

從機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有微控制器ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路，AM2303的工作電路，加濕機(jī)與加溫機(jī)的控制電路，單片機(jī)JTAG調(diào)試接口，RS232的通信電路以及單片機(jī)運(yùn)行閃爍指示燈組成。系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓5V電源供電。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，在上位機(jī)窗口上有上中下三個(gè)顯示區(qū)域依次對(duì)應(yīng)著1號(hào)2號(hào)3號(hào)大棚，在每一個(gè)顯示區(qū)域中依次顯示著測(cè)試點(diǎn)1的溫度和濕度值，測(cè)試點(diǎn)2的溫度和濕度值，以及測(cè)試點(diǎn)3的溫度和濕度值。在每個(gè)顯示區(qū)域內(nèi)的下面有該大棚預(yù)設(shè)溫度和濕度值的輸入框，只需輸入相應(yīng)的值，上位機(jī)便自動(dòng)完成發(fā)送工作。在每個(gè)顯示區(qū)域內(nèi)的右側(cè)有選擇框，選擇是否開(kāi)啟此大棚的監(jiān)視功能，每個(gè)大棚的監(jiān)視是獨(dú)立的。選擇框下面則是大棚監(jiān)視時(shí)間長(zhǎng)度，可以顯示大棚監(jiān)視時(shí)長(zhǎng)。在每一個(gè)溫度和濕度顯示框后面都有一個(gè)狀態(tài)指示燈，比如1號(hào)大棚測(cè)試點(diǎn)1溫度過(guò)高，濕度過(guò)低，則在上位機(jī)上部的顯示區(qū)域內(nèi)，測(cè)試點(diǎn)1的溫度指示燈變紅，濕度指示燈變藍(lán)，同時(shí)語(yǔ)音播出：“1號(hào)大棚測(cè)試點(diǎn)1的溫度過(guò)高，濕度過(guò)低”。如果溫度和濕度都在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，那么指示燈為黃色，語(yǔ)音不發(fā)出聲音。上位機(jī)與從機(jī)之間通信，上位機(jī)為主控方，上位機(jī)先給1號(hào)從機(jī)發(fā)送溫濕度上下限值，并在這一串指令的首尾加上校驗(yàn)碼，并轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，如果1號(hào)從機(jī)校驗(yàn)成功（說(shuō)明指令接收正確）則將上位機(jī)最新的三個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度和濕度的數(shù)值加上校驗(yàn)碼發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后驗(yàn)證校驗(yàn)碼，正確則進(jìn)行2號(hào)從機(jī)的指令發(fā)送工作。如果一號(hào)機(jī)沒(méi)有校驗(yàn)成功，那么上位機(jī)在等待狀態(tài)下等待10ms之后，繼續(xù)給2號(hào)從機(jī)發(fā)送溫濕度上下限值。然后發(fā)送給3號(hào)從機(jī)，再1號(hào)機(jī)……這樣一直循環(huán)下去。

3.2從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)即每一個(gè)獨(dú)立的溫室大棚，在每一個(gè)大棚中有1個(gè)微控制器，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，控制器為ATMEGA16單片機(jī)。ATMEGA16 通過(guò)單總線協(xié)議讀取溫濕度傳感器AM2303的溫濕度轉(zhuǎn)換數(shù)值，AM2303每次讀取40位二進(jìn)制數(shù)，前16位為溫度值，緊接著16位是濕度值，最后8位是校驗(yàn)值。單片機(jī)依次對(duì)3個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。當(dāng)每次讀取校驗(yàn)成功，單片機(jī)對(duì)溫度和濕度的值進(jìn)行處理，如果某一測(cè)試點(diǎn)的溫濕度值大于或小于上位機(jī)發(fā)來(lái)的預(yù)設(shè)值，單片機(jī)則控制加濕機(jī)或加溫機(jī)進(jìn)行工作。假如測(cè)試點(diǎn)1的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值，濕度低于預(yù)設(shè)值。那么單片機(jī)控制測(cè)試點(diǎn)1處的加濕機(jī)加濕，降溫機(jī)降溫。然后再進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)2的溫濕度讀取與控制，測(cè)試點(diǎn)3溫濕度讀取與控制，如此循環(huán)。與上位機(jī)之間通信，考慮到響應(yīng)主機(jī)的實(shí)時(shí)性，我們采用中斷接收數(shù)據(jù)，當(dāng)主機(jī)發(fā)送指令到總線上，所有從機(jī)立即停止正在做的事情，去接收主機(jī)的一串指令，假如這串指令的校驗(yàn)碼是1號(hào)從機(jī)的，那么別的從機(jī)一校驗(yàn)不是他們的則繼續(xù)回去處理正在處理的事情，而1號(hào)從機(jī)校驗(yàn)成功，將接收到的數(shù)據(jù)存起來(lái)之后，向上位機(jī)發(fā)送1號(hào)從機(jī)的最新溫度和濕度的值。如果1號(hào)主機(jī)沒(méi)有校驗(yàn)成功，那么從機(jī)都不做反應(yīng)。上位機(jī)等待10ms之后就會(huì)轉(zhuǎn)入發(fā)送2號(hào)從機(jī)的指令。

3.3誤差處理

誤差主要有兩個(gè)方面，一是AM2303讀取出錯(cuò)造成的誤差，二是422通信錯(cuò)誤造成的誤差。對(duì)于對(duì)溫濕度傳感器讀取誤差我們采用自帶校驗(yàn)值校驗(yàn)，每次校驗(yàn)成功則更新數(shù)據(jù)，否則不更新。422通信錯(cuò)誤誤差，我們采用指令首尾校驗(yàn)，校驗(yàn)成功則更新數(shù)據(jù)，校驗(yàn)錯(cuò)誤則接收到的數(shù)據(jù)作廢，等待下次再接收。

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