常國權， 馮 賀， 李亞兵

(1.安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽 455000； 2.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，河南安陽 455000)

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物之一，在紡織、國防、醫(yī)藥、汽車工業(yè)等領域具有重要的作用，對棉花進行科學、智能化生長環(huán)境監(jiān)測是提高棉花產(chǎn)量最重要的環(huán)節(jié)之一。為研究棉花葉面溫度對棉花生長及其產(chǎn)量的影響，進而采取有效的控制措施，需要實時對棉花葉面溫度進行采集，并將溫度和采集時間進行存儲，農(nóng)業(yè)參數(shù)采集所用的傳感器大多采用串行數(shù)字接口(serial digital interface at 1200 baud，簡稱SDI-12)總線接口，SDI-12是一種基于微處理器的傳感器接口標準，是由美國水文組織提出的一種串行數(shù)據(jù)通信接口協(xié)議[1]，為單線總線技術，由于SDI-12具有接口簡單、功耗低、可組網(wǎng)、傳輸距離遠、各節(jié)點獨立性強等特點，該技術在農(nóng)業(yè)多參數(shù)測控、水文和氣象環(huán)境監(jiān)測等領域中的應用越來越廣泛。本研究設計一種能通過SDI-12總線進行棉花葉面溫度的數(shù)據(jù)采集、存儲系統(tǒng)，并采用Apogee公司生產(chǎn)的符合SDI-12協(xié)議的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411進行數(shù)據(jù)試驗和測試，該系統(tǒng)可以連接符合SDI-12協(xié)議的傳感器，對參數(shù)進行采集、存儲，并可以存儲采集的時間、地點編號等信息，同時開發(fā)上位機軟件以方便進行數(shù)據(jù)的處理和對系統(tǒng)的管理。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由下位機采集系統(tǒng)、上位機管理軟件等2部分組成，核心是下位機采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。下位機采集系統(tǒng)由STC15F2K32S2單片機、Flash存儲器W25Q64、128×64點陣液晶模塊、SDI-12接口、USB轉串口接口、4×5鍵盤、DS1302時鐘及備用電池等模塊組成。下位機采集系統(tǒng)使用USB線供電或者和PC通信，系統(tǒng)采用脫機工作方式，通過USB接口和PC進行數(shù)據(jù)傳輸；Flash存儲器W25Q64用來存儲采集的溫度數(shù)據(jù)和采集時間、地點編號等信息；128×64液晶模塊用來顯示溫度、時間及其他提示信息；4×5鍵盤主要用來對系統(tǒng)進行設置和控制，如設置時間、啟動采集等；DS1302時鐘模塊主要為系統(tǒng)提供一個時間基準，并在采集溫度的同時存儲采集時間，系統(tǒng)斷電時由備用電池給時鐘模塊供電以維持系統(tǒng)時間；SDI-12接口的數(shù)據(jù)線使用的是單片機的P3.2引腳，該引腳具有中斷功能[2]，當P3.2引腳產(chǎn)生中斷時，在中斷服務子程序中檢測SDI-12起始信號并進行數(shù)據(jù)的接收和處理；蜂鳴器在用戶操作時可以發(fā)出聲音提示，也可以通過軟件設置關閉聲音提示。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 SDI-12接口電路設計

SDI-12傳感器和單片機的接口電路是系統(tǒng)設計的核心。如前文所述，SDI-12為單線總線接口，SDI-12傳感器只需要連接電源、地和數(shù)據(jù)線(data line)即可。本研究所采用的SDI-12協(xié)議傳感器是美國Apogee公司生產(chǎn)的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411，它具有功耗低、精度高、非接觸、工作電壓范圍(4.5～24 V)寬等優(yōu)點，在植物、土壤、水流表面溫度測量方面的應用較多[3]。由于SI-411傳感器的工作電壓范圍較寬，因此可直接用5 V電壓給其供電，STC15F2K32S2單片機的P3.2引腳通過R5、C5、DZ1、R9等組成的保護電路與SDI-12傳感器接口相連，STC15F2K32S2單片機的P3.2引腳支持上升沿和下降沿中斷[4]，這給程序檢測SDI-12總線上的數(shù)據(jù)帶來了較大方便，當發(fā)送SDI-12協(xié)議命令時，P3.2引腳模擬SDI-12協(xié)議命令時序，對SDI-12傳感器返回的數(shù)據(jù)在單片機外部中斷服務子程序中進行處理；RESET按鍵可以使單片機復位，這給程序的調試和下載帶來方便。SDI-12和單片機接口電路設計如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)其他接口電路設計

為輔助采集系統(tǒng)更好地工作，增加W25Q64存儲器、USB轉串口CH340G、128×64液晶模塊、4×5鍵盤、蜂鳴器、DS1302時鐘及備用電池等模塊。其中，W25Q64存儲器是WINBOND公司生產(chǎn)的64 Mb串行存儲器[5]，該存儲器工作電壓為3.3 V，需要用REG-1117穩(wěn)壓芯片提供3.3 V電壓，該芯片和STC單片機采用模擬串行外設接口(serial peripheral interface，簡稱SPI)時序通信方式進行通信，因此，將STC單片機的普通IO口P2.3～P2.6直接和該芯片連接即可，但STC單片機的P2.3～P2.6接口需要配置為準雙向口模式。

CH340G是沁恒股份有限公司生產(chǎn)的USB轉串口芯片，該芯片可以把STC單片機的晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic，簡稱TTL)串口信號轉換為USB信號，并在PC上虛擬出1個串口，通過該USB轉接芯片可以實現(xiàn)系統(tǒng)供電、程序下載、串口通信等功能[6]。128×64液晶模塊采用SPI接口，因此STC單片機只需要5個普通IO口和該模塊連接即可[7]。限于篇幅，其他模塊的接口設計不再一一敘述。系統(tǒng)其他接口電路設計原理如圖3所示[8]。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括下位機軟件設計、上位機管理軟件設計，其中下位機軟件設計是系統(tǒng)設計的核心。下位機軟件程序在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，上位機管理軟件程序采用VC++6.0編寫。

SDI-12總線技術屬于單線總線技術，即在1根數(shù)據(jù)線上進行雙向半雙工數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)線是三態(tài)的，使用負邏輯[9]。協(xié)議規(guī)定總線通信的波特率為1 200 bps，SDI-12幀格式為1位起始位，7位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位(偶校驗)和1位停止位，數(shù)據(jù)最低位先發(fā)送，其中起始位為高電平，停止位為低電平[10]。與其他通信協(xié)議標準不同，SDI-12既約定接口的電氣規(guī)范，又約定通信的內容。所有在SDI-12總線上發(fā)送的字符必須是可打印的ASCⅡ字符，SDI-12數(shù)據(jù)記錄器和傳感器在數(shù)據(jù)線上通過ASCⅡ碼進行通信。

SDI-12傳感器不工作時即進入低功耗模式，數(shù)據(jù)記錄器需要通過數(shù)據(jù)線發(fā)送break信號喚醒傳感器，1個break信號時間至少為12 ms的連續(xù)高電平，傳感器從低功耗模式中被喚醒后，數(shù)據(jù)記錄器需要再發(fā)送1個至少為8.33 ms的連續(xù)低電平marking信號，然后才能發(fā)送包含地址碼的命令。傳感器匹配地址正確并接收到正確的命令后，拉低信號線 8.33 ms 并返回數(shù)據(jù)。如果地址無效或空閑時間超過 100 ms，傳感器將返回到低功耗待機狀態(tài)[11]。SDI-12命令和響應時序如圖4所示。

如前文所述，SDI-12總線上發(fā)送的命令字符均為ASCⅡ字符，命令由若干個字符組成，第1個字符通常為傳感器的地址，最后1個字符均為“!”，表示命令結束。而傳感器返回的數(shù)據(jù)最后2個字節(jié)總為0x0D、0x0A，即回車和換行。在數(shù)據(jù)記錄器發(fā)送命令之前，首先將STC單片機的P3.2引腳配置為準雙向口模式，此時單片機控制SDI-12總線，由圖4可知，單片機先拉高總線至少12 ms，再拉低總線至少8.33 ms，之后就發(fā)送SDI-12命令字符。由于SDI-12協(xié)議規(guī)定的波特率為1 200 bps，故發(fā)送每1位占用的時間為(1÷1200)s，約為833 μs，若單片機給傳感器發(fā)送字符“1”，即二進制數(shù)00110001，則單片機控制P3.2引腳產(chǎn)生的時序如圖5所示。注意，SDI-12的時序為負邏輯，最低有效位先發(fā)送，EP(even parity)為偶校驗位。STC單片機控制P3.2引腳發(fā)送1個命令字符的流程如圖6所示。

當單片機接收傳感器返回的數(shù)據(jù)時，采用的是中斷方式。首先配置P3.2引腳為上升沿和下降沿均可觸發(fā)中斷，若在中斷服務子程序中檢測到的P3.2為高電平時，說明接收到了起始位(START)，為保證單片機在總線上采樣時總線處于穩(wěn)定狀態(tài)，在中斷檢測到的每個起始位后，在833 μs延時的基礎上再增加一定的延時時間(200～350 μs)，這樣就能保證在檢測后面的數(shù)據(jù)位時，833 μs的延時一定能處在數(shù)據(jù)穩(wěn)定的狀態(tài)。1個循環(huán)接收8個數(shù)據(jù)位(包括校驗位)，1個字節(jié)接收完成之后需要對各位取反并去掉校驗位，當接收到0x0D、0x0A等2個字節(jié)后，表明傳感器返回的數(shù)據(jù)結束，置接收完成標志為1，并在主程序中對數(shù)據(jù)進行存儲、顯示等處理。STC單片機控制P3.2引腳接收1個數(shù)據(jù)字符的流程如圖7所示。

PC管理軟件是使用VC++6.0開發(fā)的，使用了串口類編程技術[12]。PC管理軟件的主要作用是把采集器存儲的數(shù)據(jù)轉換成一定格式并導出到Excel中，以方便對數(shù)據(jù)進行分析和處理。PC管理軟件主要通過串口和采集器進行通信，采用API編程，上位機首先發(fā)送提取記錄命令，下位機收到命令后，1次讀取16條記錄(每條記錄包括采集時間、測試目標溫度、表體溫度和采集位置編號)，再按照一定的協(xié)議進行封裝后發(fā)給上位機，然后等待上位機返回的握手命令，上位機對接收到的數(shù)據(jù)校驗無誤后進行轉換處理并顯示在列表框中，再次發(fā)送握手命令給下位機，下位機接收到命令后重復以上步驟，直到存儲的數(shù)據(jù)提取完畢。上位機管理軟件的界面如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

為驗證采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使用SI-411溫度傳感器、 邏輯分析儀配合上位機管理軟件對系統(tǒng)進行測試和驗證。采集系統(tǒng)發(fā)送“?R3!”指令給SI-411時，邏輯分析儀捕捉到的波形如圖9所示，可以看出，break信號約為 12.494 ms，marking信號約為9.162 ms，起始位及數(shù)據(jù)位寬度約為0.835 ms，符合協(xié)議要求。SI-411傳感器返回的部分數(shù)據(jù)波形如圖10所示，起始位及數(shù)據(jù)位寬度約為0.849 ms，圖中標注①的寬度約為4.28 ms，共包含5個1，其中第1個為起始位；標注②的寬度約為1.7 ms，包含2個0；標注③的寬度約為1.7 ms，包含2個1；標注④的寬度約為0.849 ms，包含1個0，該位為停止位，去掉起始位和停止位，剩余的數(shù)據(jù)位為11110011，去掉最后1個校驗位1，并取反后得到0000110，根據(jù)低位在前原則，該數(shù)的十進制為48，即為字符“0”的ASCⅡ碼，按照同樣的分析方法，可以得到SI-411傳感器返回的數(shù)據(jù)為0 +29.88385+27.56718，其中“0”為傳感器地址，“+”后面依次為采集的目標溫度和外殼溫度。液晶顯示采集到的溫度如圖11所示。

5 結論

以STC15F2K32S2單片機為核心，并擴展SDI-12傳感器接口、W25Q64存儲器模塊、128×64液晶模塊、USB轉串口接口、4×5鍵盤、DS1302時鐘等外圍模塊設計的棉花葉面溫度采集系統(tǒng)可以對棉花葉面溫度和時間進行采集并存儲，支持手動采集、定時自動采集、數(shù)據(jù)導出等功能，同時該系統(tǒng)又具有一定的通用性，可以用在其他農(nóng)作物、水文和氣象環(huán)境溫度監(jiān)測等領域中。經(jīng)過多次測試、改進后，已在中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所小批量投入使用，經(jīng)使用證明，該采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡單、管理方便，取得了較好的使用效果。

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