范治政 劉永春

摘要：設(shè)計了一種以ARM9處理器作為主控器的監(jiān)控系統(tǒng)，采用高精度溫濕度傳感器DHT11，并結(jié)合LabVIEW虛擬儀器軟件編寫上位機界面，借用LabVIEW中自帶的Web服務(wù)發(fā)布功能，實現(xiàn)了大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)測功能。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能及時地采集和顯示大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ARM9；DHT11；LabVIEW；大棚；溫濕度

中圖分類號：TP277；TP368.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0705-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.053

Design of Remote Temperature and Humidity Monitoring system

of Greenhouse based on ARM9

FAN Zhi-zheng， LIU Yong-chun

（School of Automation and Electronic Information， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， Sichuan， China）

Abstract： The paper presented a kind of monitoring system， taking ARM9 processor as the master controller， using high-precision temperature and humidity sensors DHT11，combining with LabVIEW virtual instrument software program PC interface， and borrowing LabVIEW Web service publishing function. The remote dynamic monitoring capabilities of the temperature and humidity inside the greenhouse was realized. Experiments showed that the system can timely collect and display parameters of temperature and humidity inside the greenhouse， thus enabled remote monitoring.

Key words： ARM9； DHT11； LabVIEW； greenhouse； temperature and humidity

在以往的大棚種植過程中，檢測溫濕度通常是在大棚內(nèi)懸掛溫度計，通過人工計量的方式進行。這種方式效率低下，費時費力，且易產(chǎn)生差錯[1]。晝夜溫濕度變化過大，將對大棚作物生長造成不利的影響，為了提高大棚的生產(chǎn)效率，有必要對大棚溫濕度進行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)采用ARM9作為核心處理器，高精度溫濕度傳感器DHT11作為測量元件，通過RS485總線將大棚內(nèi)溫濕度參數(shù)傳回到監(jiān)控機。監(jiān)控界面采用LabVIEW軟件編寫，LabVIEW虛擬儀器內(nèi)部集成了一個強大的VISA庫。庫內(nèi)集成了許多通用儀器接口（GPIB儀器、RS232儀器等），通過調(diào)用內(nèi)部接口子VI可以輕易地從儀器當(dāng)中讀取需要的數(shù)據(jù)。LabVIEW內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，不用復(fù)雜的TCP編程就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)溫濕度越界報警，供監(jiān)測者判斷并采取相應(yīng)的措施及時調(diào)整大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)。這種監(jiān)控系統(tǒng)為大棚生產(chǎn)自動化提供了有效的手段。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器檢測單元、驅(qū)動電路、ARM控制器、RS485總線和監(jiān)控機構(gòu)成。下位機以S3C2440處理器為核心，采用DHT11傳感器檢測大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)，將檢測到的參數(shù)送到控制器中處理，控制器從參數(shù)中分離出溫濕度參數(shù)，通過RS485總線發(fā)送給監(jiān)控機?？刂破鲀?nèi)部能實現(xiàn)溫濕度報警和自動調(diào)節(jié)功能。監(jiān)控機通過RS485和RS232轉(zhuǎn)換電路從串口讀取溫濕度參數(shù)，并將溫濕度值動態(tài)地顯示在監(jiān)控界面上。通過和預(yù)設(shè)參數(shù)作邏輯比較實現(xiàn)溫濕度報警。監(jiān)控機通過LabVIEW的Web服務(wù)功能將參數(shù)送到網(wǎng)絡(luò)上，供遠(yuǎn)程監(jiān)控者瀏覽和控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ARM控制系統(tǒng)

ARM控制系統(tǒng)采用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440低功耗處理器。內(nèi)部資源豐富，支持16/32位指令集?？刂破髦饕穗娫茨K、RTC時鐘模塊、存儲電路、復(fù)位電路等。ARM控制器有3通道串口，系統(tǒng)中使用一路串口發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)?？刂破鞒绦蛳螺d和升級主要通過控制器所帶的JTAG接口完成。

2.2 溫濕度采集和處理電路

系統(tǒng)采用的數(shù)字式傳感器DHT11，是一款集溫濕度測量并帶有數(shù)字信號校準(zhǔn)的傳感器。DHT11是單數(shù)字總線輸出，用一根數(shù)據(jù)線和ARM9通用GPIO口相接就可以進行數(shù)據(jù)傳輸，DHT11測量濕度范圍為20%～90%RH，溫度范圍為0～50 ℃[2]。使用時為了避免數(shù)據(jù)傳送時出現(xiàn)沖突，需在數(shù)據(jù)輸出管腳接10 K上拉電阻。溫濕度采集電路圖如圖2所示。

2.3 驅(qū)動電路和報警電路

當(dāng)采集到的溫濕度參數(shù)低于（高于）報警值時，報警電路將會驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音提示報警。報警分為兩種情況，當(dāng)參數(shù)值低于最低設(shè)定值時，點亮D1同時蜂鳴器響應(yīng)；當(dāng)參數(shù)值高于設(shè)定值時，點亮D2同時蜂鳴器響應(yīng)。當(dāng)系統(tǒng)報警時可通過控制風(fēng)機和加濕器以調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度。出現(xiàn)報警時，控制系統(tǒng)需要判斷屬于哪一種情況以控制外部設(shè)備進行調(diào)整?？刂骑L(fēng)機和加濕器的驅(qū)動電路基本一致，配置GPF1管腳為輸出，低電平時光電耦合器接通繼電器開始工作。在斷開時為了保護繼電器，需要在線圈兩端并上一個IN4007續(xù)流二極管，以達(dá)到消弧的目的[3]。驅(qū)動與報警電路如圖3。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制器軟件設(shè)計

下位機軟件流程圖如圖4所示。ARM控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)化。系統(tǒng)上電運行后，控制器初始化內(nèi)部寄存器；初始化結(jié)束后，讀取傳感器中的溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11傳感器是單總線式的傳感器，總線處于空閑狀態(tài)時為高電平。讀取數(shù)據(jù)前控制器應(yīng)該將總線拉低至少18 ms， 再拉高20～40 ms等待DHT11應(yīng)答。DHT11識別到應(yīng)答信號后自動拉低總線80 μs，然后再拉高80 μs作為應(yīng)答。

傳感器響應(yīng)后開始傳輸數(shù)據(jù)，一次通信時間約4 ms，傳輸40位數(shù)據(jù)。前16位數(shù)據(jù)代表濕度參數(shù)，由8位整數(shù)和8位小數(shù)組成；中間16位數(shù)據(jù)代表溫度參數(shù)，由8位整數(shù)和8位小數(shù)組成；最后8位是校驗碼數(shù)據(jù)。40位數(shù)據(jù)被ARM控制器分離后會通過485總線發(fā)送到上位機。監(jiān)控者可根據(jù)監(jiān)控情況向控制器發(fā)送指令控制外部設(shè)備。要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)還需初始化串口。通過Uart0_init（void）子函數(shù)設(shè)置串口工作波特率、發(fā)送數(shù)據(jù)位數(shù)以及中斷方式等。Uart0_send（data）為串口發(fā)送數(shù)據(jù)子函數(shù)，把溫濕度參數(shù)發(fā)送出去。Uart0_recive（cmd）為接收命令函數(shù)，用于接收上位機發(fā)送的控制命令。在下位機內(nèi)部要完成對溫濕度參數(shù)的判斷，實現(xiàn)本地自動化控制。當(dāng)溫濕度參數(shù)超標(biāo)后，控制器就要驅(qū)動外部設(shè)備自動調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部溫濕度參數(shù)。調(diào)整以后系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控，出現(xiàn)超標(biāo)情況再次自我調(diào)整。

3.2 上位機軟件設(shè)計

控制器把數(shù)據(jù)通過485總線發(fā)送到上位監(jiān)控機，上位機采用串口接收數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)前還要通過RS485和RS232之間的轉(zhuǎn)換電路。LabVIEW與串口通信有多種方法實現(xiàn)。利用內(nèi)部自帶VISA庫或者自編寫動態(tài)庫文件可以實現(xiàn)，也可以采用MSCOMM控件實現(xiàn)。利用自帶VISA庫可以輕易地實現(xiàn)串口通信，該設(shè)計采用此種方法和下位機實現(xiàn)串口交換數(shù)據(jù)。上位機軟件流程圖如圖5。

上位機上電運行后首先對串口進行初始化，調(diào)用VISA Configure Serial Port VI實現(xiàn)初始化串口，串口波特率、送數(shù)據(jù)位數(shù)等設(shè)置都必須和下位機一致，否則通信會出現(xiàn)亂碼[4]。VISA Read VI從串口中把數(shù)據(jù)讀出來，通過字符串至字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組中。采用索引數(shù)組的方式把存儲數(shù)據(jù)讀出來送到對應(yīng)顯示控件上就可以顯示數(shù)據(jù)。上位機報警主要采用的是布爾指示燈，分離出來的數(shù)據(jù)在顯示的過程中同時和設(shè)定值作比較，當(dāng)超標(biāo)時就點亮報警燈。報警后監(jiān)控人員通過系統(tǒng)前面板上的外部設(shè)備控件控制風(fēng)機和加濕器以調(diào)整大棚內(nèi)的溫濕度參數(shù)。在監(jiān)控機上控制風(fēng)機等設(shè)備主要通過調(diào)用VISA Write VI實現(xiàn)，向串口發(fā)送控制命令，發(fā)送完畢之后立即釋放串口資源，以持續(xù)接收監(jiān)控數(shù)據(jù)。系統(tǒng)監(jiān)控后面板程序如圖6所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計

使用LabVIEW虛擬儀器內(nèi)部自帶的Web服務(wù)器功能可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布程序前面板的圖像或HTML（超文本連接表示語）[5]。用戶通過登錄統(tǒng)一的URL地址就可以訪問服務(wù)器，并且可以通過服務(wù)器獲得控制權(quán)限對系統(tǒng)進行控制。Web服務(wù)支持多種瀏覽方式：①以快照的方式發(fā)布前面板。這種方式只能獲取靜態(tài)的圖像，監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，要刷新界面才能獲取到改變的數(shù)據(jù)；②監(jiān)視方式。Web服務(wù)器以固定時間自動刷新；③完全嵌入式發(fā)布。用戶程序以嵌入式的方式發(fā)布到服務(wù)器上，可以實時瀏覽變化信息[6]。通過LabVIEW的Web服務(wù)功能，監(jiān)控人員在異地也可以通過網(wǎng)絡(luò)登錄到控制面板，完成對整個大棚的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)測試

啟動控制器電源對大棚環(huán)境進行檢測，運行上位機軟件實施對大棚的監(jiān)控。將監(jiān)控程序通過Web服務(wù)器發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上檢測遠(yuǎn)程控制效果。ARM控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠及時發(fā)送數(shù)據(jù)和接收上位機發(fā)送的控制命令，實現(xiàn)自動控制的功能。本地監(jiān)控系統(tǒng)運行情況如圖7所示。第一個波形圖顯示的是相對濕度情況，能夠?qū)崟r顯示大棚內(nèi)的濕度情況，濕度超過上下限值時系統(tǒng)及時報警。第二個波形圖代表了溫度曲線，溫度達(dá)到上限值時（低于下限值時）系統(tǒng)能夠及時作出反應(yīng)并報警。監(jiān)控者通過前面板上的控制開關(guān)，可控制大棚內(nèi)的風(fēng)機和加濕器工作。

在另一臺電腦上輸入URL地址，登錄到遠(yuǎn)程控制界面查看監(jiān)控情況，可以看出監(jiān)控界面也實時反映出了大棚內(nèi)的溫濕度情況。遠(yuǎn)程監(jiān)控機可以向服務(wù)器申請控制權(quán)，用于控制外部設(shè)備。服務(wù)器也可以設(shè)置遠(yuǎn)程登錄機只有查看權(quán)，不允許對系統(tǒng)進行控制。網(wǎng)頁監(jiān)控圖如圖8所示。

5 小結(jié)

設(shè)計了一種基于ARM控制器和LabVIEW的大棚溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，硬件部分包括ARM控制器及外圍擴展電路，軟件部分包括下位機軟件和上位機軟件設(shè)計。通過對系統(tǒng)的連續(xù)測試，系統(tǒng)能夠?qū)崟r反映出大棚內(nèi)的溫濕度情況，監(jiān)控界面人機交互效果良好，便于監(jiān)控人員操作。可實現(xiàn)對大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚生產(chǎn)中。

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