朱高中

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

基于DSP蔬菜大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

朱高中

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西 渭南 714099)

設(shè)計了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)和WiFi技術(shù)相結(jié)合的大棚溫室環(huán)境遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320LF2407為控制核心芯片，基于WiFi技術(shù)進(jìn)行通信，實現(xiàn)了多路環(huán)境監(jiān)測的功能。系統(tǒng)主要由傳感器采集模塊、DSP信號處理模塊、WiFi通信模塊和PC等組成，通過各種類型的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳給DSP控制器進(jìn)行閾值的判斷，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過WiFi和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)做出及時的處理，實現(xiàn)人機(jī)交互遠(yuǎn)程控制的目的，成功實現(xiàn)大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究。實驗結(jié)果表明，該大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精確，具有良好的應(yīng)用價值和推廣前景。

監(jiān)控；溫濕度；光照強(qiáng)度；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)越來越受到人們的重視。就目前的農(nóng)業(yè)發(fā)展而言，溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控主要是空氣的二氧化碳含量濕度、溫度以及土壤的含水量等參數(shù)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測和控制方式都是采用人工管理方式，這種方式具有成本高、浪費(fèi)人力、檢測效果不理想等缺點。

為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、減少人力資源浪費(fèi)，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特點以及城郊農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)需求[1-2]，文中設(shè)計了一種價位低廉的環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)、無線發(fā)射接收技術(shù)和DSP技術(shù)三者結(jié)合的方式，由上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成，實現(xiàn)溫室大棚遠(yuǎn)程自動化控制。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

基于DSP的大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場機(jī)系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)節(jié)和上位機(jī)三個部分組成[3-5]。該系統(tǒng)主要是由各種類型的傳感器采集環(huán)境參數(shù)經(jīng)DSP處理后，通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)送給上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)發(fā)出指令進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的?，F(xiàn)場機(jī)系統(tǒng)中的監(jiān)測儀器包括測量溫度、濕度、光照以及二氧化碳含量的測量儀器。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

為了能夠?qū)χ参锏纳L進(jìn)行合理的控制，文中設(shè)計了基于DSP蔬菜大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測的控制系統(tǒng)[6-7]。該系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)的采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號等多種功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調(diào)理、DSP控制中心、無線傳輸?shù)?。系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

從整體結(jié)構(gòu)框圖可以看出，該硬件電路包括溫室大棚環(huán)境參數(shù)采集部分、液晶顯示部分、鍵盤控制電路、繼電器執(zhí)行電路、報警電路和無線發(fā)射和接收電路等。其工作原理是首先由各種類型傳感器采集環(huán)境信號送DSP后經(jīng)無線路由器送到上位機(jī)，把傳輸過來的信號和預(yù)設(shè)信號閾值進(jìn)行比較判斷，然后由上位機(jī)發(fā)出執(zhí)行命令經(jīng)DSP控制繼電器執(zhí)行電路，液晶顯示電路顯示環(huán)境參數(shù)檢測數(shù)值，環(huán)境參數(shù)閾值可以通過鍵盤控制電路設(shè)定。當(dāng)所測環(huán)境參數(shù)值超出預(yù)設(shè)閾值時，報警電路發(fā)出報警信號[8]。

2.1 溫度檢測電路

AD590溫度感測器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測器，它會將溫度轉(zhuǎn)換為電流。其規(guī)格如下：溫度每增加1 ℃，它會增加1 μA輸出電流?？闪繙y范圍為-55 ℃～150 ℃。AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)[9-10]，根據(jù)AD590的特性得出溫度檢測電路，如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

由圖3可知，該電路包括兩個運(yùn)算放大器，這兩個放大器所起的作用分別是跟隨和放大，最終采集的信號電壓和溫度之間的關(guān)系式為：V=T/20。

2.2 光強(qiáng)檢測模塊

大棚作物進(jìn)行光合作用與光照條件有著密切的關(guān)系，作物在白天進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，在黑夜作物進(jìn)行有氧呼吸放出二氧化碳，在陰天光照條件很弱，作物的光合作用極其微弱，無需人工補(bǔ)充二氧化碳[11]。文中采用光敏電阻來制作光強(qiáng)檢測模塊，光敏電阻對光線非常敏感，在有光和無光的狀態(tài)下，其電阻變化非常大。無光時，阻值大，有光時，阻值迅速減小。在同樣之電壓下，照度愈強(qiáng)，光電流愈大，亦即電阻愈小，利用光敏電阻可以判斷黑夜、白天和陰天三種狀態(tài)。所以利用光敏電阻不僅經(jīng)濟(jì)，而且電路設(shè)計也非常簡單。在設(shè)計上用一個與光敏電阻的暗電阻(無光照條件下電阻)相等的電阻串聯(lián)，檢測其分壓量，然后經(jīng)過放大處理，送入A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送入DSP處理器。

2.3 二氧化碳濃度傳感器

CO2濃度檢測電路所用的傳感器是TGS4160，該傳感器將采集的濃度模擬信號送入A/D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后送入DSP處理。TGS4160傳感器的工作原理是，當(dāng)此傳感器檢測空氣中二氧化碳?xì)怏w時，就會發(fā)生化學(xué)上的電化學(xué)反應(yīng)，方程式如下[12-13]：

Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2

根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)方程式，將氣體信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，此電壓信號方程為：

EMF=Ec-(RF)/2Fln(PCO2)

其中，Ec為常數(shù)；PCO2為CO2分壓部分；R為氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)。

將對應(yīng)的絕對電勢值轉(zhuǎn)換到傳感器兩極之間變化的電勢值,然后再放大?？梢圆捎?級運(yùn)算放大電路實現(xiàn)[14]。

2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路

該系統(tǒng)通過DSP控制固態(tài)繼電器來執(zhí)行對噴淋、加熱器、風(fēng)扇開關(guān)以及二氧化碳容器電磁閥等的控制。執(zhí)行電路圖如圖4所示。

圖4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路

其具體的工作過程如下：當(dāng)DSP控制引腳輸出低電平信號時，經(jīng)驅(qū)動器加到光電耦合器的輸入端，當(dāng)光耦合器的電壓超過3 V時，就會產(chǎn)生光電信號，光電轉(zhuǎn)換為電信號后執(zhí)行噴淋、加熱器、風(fēng)扇開關(guān)以及二氧化碳容器電磁閥等的控制。執(zhí)行控制電路工作后，當(dāng)DSP檢測到環(huán)境參數(shù)已經(jīng)在期望值的范圍內(nèi)時，DSP就發(fā)出高電平信號，停止執(zhí)行相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

2.5 基于WiFi技術(shù)的無線傳輸模塊

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通工作。文中設(shè)計采用基于WiFi技術(shù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，WiFi技術(shù)具備傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣等特點。在該設(shè)計中，考慮了設(shè)計范圍，所以只需建立一個WiFi熱點就可以達(dá)到設(shè)計要求。在此無線傳輸系統(tǒng)模塊中，上位機(jī)的作用是對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后根據(jù)所設(shè)閾值進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果進(jìn)行處理。當(dāng)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時，上位機(jī)就會向現(xiàn)場機(jī)發(fā)送不同執(zhí)行命令，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場機(jī)的遠(yuǎn)程控制作用。另外上位機(jī)系統(tǒng)還建有一個完整的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以隨機(jī)調(diào)用不同時刻的檢測信號，做到實時檢測環(huán)境參數(shù)的目的。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。該系統(tǒng)控制核心是DSP TMS320LF2407，從圖中可以看出整個系統(tǒng)軟件由三大部分組成：

(1)數(shù)據(jù)的采集軟件，包括系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)存儲。

(2)信號處理和控制軟件，包括信號比較分析，決策控制信息傳輸。

(3)問題的解決處理，通過比較對超過閾值的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

其工作原理是：系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后數(shù)字信號處理器進(jìn)入監(jiān)控工作狀態(tài)，如果在沒有外部控制信息輸入信號的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)溫室大棚各種環(huán)境參數(shù)，通過和所設(shè)置的上下限閾值對比判斷是否超出閾值，對超出閾值的參數(shù)進(jìn)行報警并及時處理。

圖5 系統(tǒng)的主程序流程圖

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w過程

現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測部分主要是對上位機(jī)所發(fā)出的消息進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，生成儀器可以識別的消息幀，并發(fā)送給儀器?，F(xiàn)場機(jī)在讀取多個儀器的數(shù)據(jù)時，按照各種類型傳感器采集的數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行掃描直至全部數(shù)據(jù)掃描完成，然后再進(jìn)行下一輪的掃描，直到完成所有的參數(shù)指令。圖6為現(xiàn)場機(jī)數(shù)據(jù)通信的流程圖。

圖6 現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結(jié)束語

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計將WiFi和DSP兩者相結(jié)合的方法應(yīng)用于大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以PC機(jī)為上位機(jī)、TMS320LF2407 DSP為下位機(jī)完成對測試數(shù)據(jù)的各種功能處理。文中對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計，給出TMS320LF2407為控制中心的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)電路，該系統(tǒng)監(jiān)測包括溫濕度監(jiān)測、光照強(qiáng)度監(jiān)測及CO2濃度監(jiān)測，通過將溫濕度傳感器、光照傳感器及CO2濃度采集數(shù)據(jù)信息送入到DSP中心處理器與所設(shè)上下限閾值進(jìn)行監(jiān)測處理，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過WiFi和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，由上位機(jī)做出及時處理。經(jīng)過電路的測試和軟件調(diào)試表明，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高，自動化、智能化較好，能夠?qū)崿F(xiàn)大棚環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

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Research on Remote Monitoring System of Vegetable Greenhouse Environment Based on DSP

ZHU Gao-zhong

(School of Physics and Electrical Engineering,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)

A remote detection system of greenhouse environment based on DSP and WiFi is designed.It takes TMS320LF2407 as the core control chip and completes the communication based on the WiFi technology,which can realize multi-channel environment monitoring function.The system consists of sensor module,DSP module,WiFi communication module and PC and so on.Through various types of sensors,the collected data is transmitted to the DSP controller for threshold judgment,and monitoring data is transferred to the host machine through WiFi and wireless transmission network.The PC makes timely processing,achieving the purpose of man-machine interaction and remote control,successful realization of greenhouse environment remote study on monitoring.The experiment shows that the performance of greenhouse environment monitoring system is stable and reliable with accurate data,and has good application value and extension prospects.

monitoring;temperature and humidity;light intensity;wireless transmission network

2015-03-19

2015-08-21

時間：2016-07-29

陜西省教育廳科學(xué)研究項目(12JK0514)；渭南師范學(xué)院校級科研項目(16YKP009)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科重大建設(shè)項目(14TSXK07)

朱高中(1980-)，男，碩士，講師，研究方向為信號處理、電子技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160729.1833.008.html

TP302

A

1673-629X(2016)08-0187-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.08.040