劉二林，柳彥虎，姜香菊

LIU Er-lin1, LIU Yan-hu1, JIANG Xiang-ju2

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的重要內(nèi)容，它通過對(duì)溫室環(huán)境中的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)結(jié)合作物生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)和規(guī)律，運(yùn)用一定的工程措施來改善不適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，創(chuàng)造出適合作物生長(zhǎng)的最佳微氣候條件，從而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得溫室環(huán)境監(jiān)控技術(shù)向著遠(yuǎn)距離、無線、多點(diǎn)、高效、低能耗的現(xiàn)代化無線環(huán)境監(jiān)控技術(shù)轉(zhuǎn)變[1]。

基于以上原因，文中設(shè)計(jì)一套基于LabVIEW的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以無線通信、傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)建立一套完整的無線環(huán)境監(jiān)控體系。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作人員可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的操作提示對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，該系統(tǒng)融合了傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等技術(shù)于一體，有一定創(chuàng)新性和實(shí)用性。

1 方案設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外溫室監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案基本是一致的，都是由上位機(jī)與下位機(jī)組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過通信來聯(lián)系。但是所用的方案不盡相同。在文獻(xiàn)[2]中，詳細(xì)說明了國(guó)內(nèi)外溫室監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)方案，并提到上位機(jī)界面設(shè)計(jì)所采用的VB，Delphi以及MATLAB等軟件；在通訊方面，文獻(xiàn)[2]中主要羅列了RS485總線通訊及GPRS無線通訊。在文獻(xiàn)[3]中則是使用NI公司生產(chǎn)的PCI-6024E型數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器JWSL-2AT的信號(hào)采集。

在本方案設(shè)計(jì)中，為了整個(gè)系統(tǒng)的可行性，完整性，可擴(kuò)展性，又考慮到設(shè)計(jì)的低成本及可推廣性等問題，確定系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如下：

1）設(shè)計(jì)基于STC90C58AD單片機(jī)的無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)。無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境信息數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度）的采集、數(shù)據(jù)打包處理、無線數(shù)據(jù)收發(fā)及控制命令的接收與執(zhí)行。

2）設(shè)計(jì)一個(gè)基于MC9S12XS128單片機(jī)的通信網(wǎng)關(guān)。通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境信息數(shù)據(jù)的匯總、數(shù)據(jù)打包處理、通過RS232串口通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及將控制命令下發(fā)給相應(yīng)信息采集節(jié)點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)軟件部分要求較高，且無線通信網(wǎng)絡(luò)的建立比較復(fù)雜，而MC9S12XS128單片機(jī)擁有功能強(qiáng)大的在線仿真功能，因而選用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC9S12XS128單片機(jī)作為系統(tǒng)核心控制芯片。

3）設(shè)計(jì)一款基于LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)處理、控制命令下發(fā)及報(bào)警等功能，作為此系統(tǒng)最頂層的控制中樞，它具有整個(gè)系統(tǒng)的最高控制權(quán)限，可以通過環(huán)境設(shè)定值與反饋數(shù)據(jù)的對(duì)比對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行器件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過該監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員還可以很清晰的了解當(dāng)前環(huán)境狀況以及歷史狀況，也可以根據(jù)生產(chǎn)生活的需要，改變監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)定初值，進(jìn)而控制執(zhí)行器件使環(huán)境的溫度、濕度等保持在需要的水平上。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 nRF905無線通信模塊設(shè)計(jì)

nRF905是挪威Nordic公司生產(chǎn)的一款單片射頻發(fā)射器芯片，采用Nordic公司的ShockBurst技術(shù)，使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和時(shí)鐘覆蓋。該收發(fā)器工作在433/868/915MHz的ISM頻段，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。模塊工作于ShockBurst模式下時(shí)可以自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC檢驗(yàn)碼，可以很容易的通過SPI接口進(jìn)行編程控制，發(fā)射功率為+10dbm時(shí)發(fā)射電流為11mA，接收電流為12.5mA，進(jìn)入Power down模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。文獻(xiàn)[4]中，也將nRF905用于倉(cāng)庫(kù)濕溫度檢測(cè)，并取得了較好的效果。不同點(diǎn)在于本文用的是多對(duì)1模式，該模式更便于傳感器的分布安裝。在多點(diǎn)無線通信設(shè)計(jì)中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也經(jīng)常被采用，在文獻(xiàn)[5]中就成功采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。

2.1.2 數(shù)字溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。電路如圖2所示。

圖2 DHT11溫濕度傳感器應(yīng)用電路

DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4毫秒左右，芯片有專用的通信協(xié)議，可通過軟件測(cè)量高電平時(shí)間來確定某一位是1還是0，最終接收數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。具體格式為：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出；數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位數(shù)據(jù)。在文獻(xiàn)[6]中，采用了DS18B20對(duì)多點(diǎn)溫度環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行了多點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合處理。本設(shè)計(jì)中采用的則是基于STC90C58AD單片機(jī)的無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，可以對(duì)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，并可以根據(jù)上位機(jī)命令輸出控制信號(hào)，結(jié)構(gòu)類型類似于DCS系統(tǒng)，所以也可以方便地進(jìn)行多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。

2.1.3 CO2濃度測(cè)量傳感器MG811

MG811傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理，由下列固體電池構(gòu)成：空氣，Au|NASICON||碳酸鹽|Au，空氣，CO2。當(dāng)傳感器置于CO2氣氛中時(shí)，將發(fā)生以下電極反應(yīng)，元件相當(dāng)于一個(gè)電池，其兩端會(huì)輸出一個(gè)電壓信號(hào)，其值與能斯特方程符合較好。

MG811CO2濃度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的CO2濃度信息，MG811對(duì)CO2具有良好的靈敏度和選擇性，受溫度變化影響較小，在實(shí)際應(yīng)用過程中，擁有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性。本設(shè)計(jì)中使用的是由LM393和MG811組成的CO2濃度檢測(cè)模塊，用模擬量輸出（0～2V），直接通過單片機(jī)的A/D口將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[7]。

2.1.4 現(xiàn)場(chǎng)顯示及報(bào)警電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用共陽極四連一體數(shù)碼管作為信息采集節(jié)點(diǎn)的顯示部件，通過數(shù)碼管可以很直觀的看到環(huán)境溫度信息，這樣可以在遠(yuǎn)離上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)時(shí)查看信息采集節(jié)點(diǎn)工作是否正常。蜂鳴器作為一個(gè)必不可少的報(bào)警器件在本系統(tǒng)中也有用到，負(fù)責(zé)當(dāng)環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警點(diǎn)時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，來提示操作人員做相關(guān)處理。信息采集節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)參數(shù)的直接設(shè)置，設(shè)置參數(shù)也可以通過無線收發(fā)模塊傳遞給上位機(jī)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)顯示系統(tǒng)電路圖

2.2 通信網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)關(guān)作為連接多點(diǎn)無線環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，它起著至關(guān)重要的作用，因此基于MC9S12XS128單片機(jī)的通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)非常重要的一部分。當(dāng)各無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，會(huì)將所有數(shù)據(jù)通過無線通信模塊NRF905發(fā)送至通信網(wǎng)關(guān)，此時(shí)通信網(wǎng)關(guān)需從不同通信信道中接收有用數(shù)據(jù)，將各類數(shù)據(jù)分類匯總，打包處理，并需將各點(diǎn)數(shù)據(jù)分類上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，交由監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理。另一方面，當(dāng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要采集節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)命令時(shí)，通信網(wǎng)關(guān)則需將監(jiān)控計(jì)算機(jī)的命令進(jìn)行拆分等一系列處理，并分發(fā)給各個(gè)無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參量的人為控制，保證農(nóng)作物具有最適宜的生存環(huán)境。另外為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的正確性、提高通信網(wǎng)絡(luò)的通信效率，給通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了與采集節(jié)點(diǎn)完全匹配的命令指示單元，由此可以很清晰的看出數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)命令執(zhí)行是否有誤。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示[8，9]。

圖4 無線環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 通信網(wǎng)關(guān)程序流程

程序通信網(wǎng)關(guān)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 通信網(wǎng)關(guān)程序流程圖

4 基于LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)

4.1 前面板設(shè)計(jì)

無線多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控主界面主要包括串口配置、數(shù)據(jù)收發(fā)操作窗口及環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)A、B信息顯示選項(xiàng)卡，環(huán)境參數(shù)設(shè)定窗口以及報(bào)警提示子窗口等構(gòu)成。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主界面，是操作人員接觸最多的部分。監(jiān)控界面有很好的可操作性，操作人員只需對(duì)各模塊的功能加以了解，就可以輕松的操作該上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。操作人員可以通過示波器，液位計(jì)，刻度表等虛擬儀器控件查看當(dāng)前環(huán)境信息，也可以打開歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子VI，查看近期環(huán)境歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)需要改變?cè)O(shè)定值時(shí)，只需將所需的溫度或濕度信息鍵入相應(yīng)設(shè)定窗口，系統(tǒng)便可通過一系列控制算法，給出相應(yīng)的報(bào)警提示信息，同時(shí)輸出相應(yīng)的控制量，并通過RS232串口通信信號(hào)線將控制命令下發(fā)給通信網(wǎng)關(guān)，控制下位機(jī)執(zhí)行器件，使環(huán)境溫度等以最快的速度跟蹤到當(dāng)前設(shè)定值。無線多點(diǎn)實(shí)時(shí)環(huán)境上位機(jī)監(jiān)控主界面前面板如圖6所示。

圖6 上位機(jī)監(jiān)控界面截圖

4.2 程序框圖設(shè)計(jì)

4.2.1 串口配置

串口配置部分是監(jiān)控系統(tǒng)較為重要的一個(gè)部分，只需調(diào)用LabVIEW串口配置的相關(guān)控件，通過前面板的相應(yīng)設(shè)置，即可完成RS232串口數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)串口配置部分程序框圖如圖7所示。

圖7 串口配置部分程序

4.2.2 數(shù)據(jù)提取與處理

由于本系統(tǒng)采用RS232串口功能實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的連接，且均采用字符格式發(fā)送數(shù)據(jù)，因此從字符信息流中提取出各節(jié)點(diǎn)的相關(guān)變量就成為程序編程的一大難點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用LabVIEW字符串拆分方法，將格式固定的字符信息轉(zhuǎn)換成各節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度等信息，數(shù)據(jù)提取與處理部分子VI如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)提取與處理程序

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)是以無線傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)位基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)建立了一套完整的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的無線實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的聯(lián)合調(diào)試，結(jié)果表明系統(tǒng)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，可以完成環(huán)境的多點(diǎn)監(jiān)控功能。希望文中介紹的內(nèi)容能為研究無線多點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們提供一些借鑒。

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