基于ARM 7的花卉大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

劉建軍,郝尚富

(河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北張家口075000)

隨著人民生活水平的不斷提高,人們越來越重視生活、工作環(huán)境的美化.而布置觀賞花卉是一種很好的美化方式,同時觀賞花卉在各種慶典活動和禮儀儀式上更是必不可少的.因此,花卉養(yǎng)殖和銷售有著廣泛的市場.但是,觀賞花卉對養(yǎng)殖和銷售環(huán)境的溫濕度要求很高,多數(shù)花卉要求環(huán)境溫度在15℃～35℃之間,相對濕度在60%～80%之間.沒有合適的溫濕度條件,會嚴(yán)重影響花卉的生長和觀賞效果.對于我國北方地區(qū),秋、冬和春季空氣干燥,晝夜溫差大,特別是冬季,平均空氣相對濕度在20%以下,晝夜溫差可達(dá)到15℃～20℃,這種氣候條件對花卉養(yǎng)殖和銷售帶來很大的影響[1].所以,花卉大棚中必須有采暖/降溫和加濕/通風(fēng)系統(tǒng),以便根據(jù)大棚溫濕度情況進(jìn)行調(diào)節(jié).由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制,多數(shù)大棚采用人工方式進(jìn)行檢測和控制.對于規(guī)模較大的大棚,人工方式既不方便又浪費(fèi)人力,且不易保存溫濕度歷史數(shù)據(jù).

嵌入式大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是利用嵌入式系統(tǒng)的強(qiáng)大處理/控制能力和高可靠性、實(shí)時性、低功耗、低成本和應(yīng)用靈活的特點(diǎn)[2],用一片A TM EL公司的ARM 7TDM I處理器A T91SAM 7X256構(gòu)成嵌入式Web Server,通過RS-485總線將多個數(shù)據(jù)采集/控制模塊 (監(jiān)控儀表)連接起來從而構(gòu)成多點(diǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[3].嵌入式Web Server可以實(shí)時采集各個監(jiān)控點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù),同時嵌入式Web Server具有以太網(wǎng)接入功能,可以將采集到的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)或Internet傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)[4].系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求,溫濕度控制設(shè)備的啟動與停止可以有各個監(jiān)控儀表分別控制,也可以由嵌入式Web Server集中控制.

1 嵌入式Web Server

嵌入式Web Server的主要功能是以Web頁面的形式向監(jiān)控計(jì)算機(jī)提交從監(jiān)控儀表采集到的數(shù)據(jù),并完成對監(jiān)控儀表的控制和對整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置與訪問控制.具體功能如下：

采用巡檢方式,對網(wǎng)絡(luò)中各個監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控.若出現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)溫濕度超出設(shè)定范圍5 min以上,則聲光報(bào)警并啟動溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備.

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過IE瀏覽器可以設(shè)置各個監(jiān)控點(diǎn)的溫濕度上下限.

具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能和訪問控制功能,可以設(shè)置嵌入式Web Server的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、用戶名和密碼等參數(shù).

嵌入式Web Server硬件電路以ARM 7內(nèi)核微處理器芯片A T91SAM 7x256為處理器,同時構(gòu)建基于微處理器的最小系統(tǒng)和以太網(wǎng)接口電路及RS-485接口電路構(gòu)成.最小系統(tǒng)由保證微處理器能夠穩(wěn)定運(yùn)行所必需的基本電路組成,包括ARM 7微處理器、電源電路和晶體振蕩電路,以太網(wǎng)接口電路由一片工業(yè)級以太網(wǎng)芯片DM 9161AE及其外圍電路來實(shí)現(xiàn)Internet接入[3].

一般的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)為前后臺系統(tǒng)或超循環(huán)系統(tǒng) (Super-Loops).應(yīng)用程序是一個無限的循環(huán),循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作,中斷服務(wù)程序處理異步事件.因?yàn)橹袛喾?wù)提供的信息一直要等到后臺程序走到該處理這個信息這一步時才能得到處理,所以前后臺系統(tǒng)不能最大程度的保證監(jiān)控的實(shí)時性[6].本系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ和嵌入式 TCP/IP協(xié)議棧Lw IP結(jié)合的方式,系統(tǒng)任務(wù)的切換由μC/OS-Ⅱ任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn),可以充分保證系統(tǒng)的實(shí)時性.Lw IP實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)接入功能.

μC/OS-Ⅱ是一個完全開放源代碼的通用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、軍事、航天、消費(fèi)電子、通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域,其可靠性得到了美國聯(lián)邦航空管理局的認(rèn)證.和其他嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)相比,μC/OS-Ⅱ具有體積小、可剪裁和實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn),非常適合于實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)[7].由于μC/OS-Ⅱ設(shè)計(jì)為一個通用操作系統(tǒng),所以在使用時需要根據(jù)目標(biāo)處理器的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的移植.μC/OS-Ⅱ本身沒有集成 TCP/IP協(xié)議棧,所以需要將Lw IP移植到μC/OS-Ⅱ[8-10].

由于A T91SAM 7x256內(nèi)部集成了256KB的FLASH和64 KB的SRAM,對于本系統(tǒng),將μC/OS-Ⅱ和Lw IP移植后,大概只需要60 KB的存儲空間,再加上系統(tǒng)應(yīng)用程序部分,整個軟件系統(tǒng)大概需要65 KB的存儲空間,而64 KB的SRAM做為系統(tǒng)的運(yùn)行空間也是足夠的,所以系統(tǒng)不需要另外擴(kuò)展存儲空間.這樣既簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),同時也提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了功耗.另外,片內(nèi)集成的FLASH和SRAM的訪問速度要比片外擴(kuò)展的存儲空間的訪問速度快,穩(wěn)定性更好,系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、用戶名和密碼存儲在A T91SAM 7x256內(nèi)部FLASH中.

圖1 大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)采集 /控制模塊 (監(jiān)控儀表)

監(jiān)控儀表主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和對采暖/降溫和加濕/通風(fēng)系統(tǒng)的控制.

電路部分由單片機(jī)電路、數(shù)字溫濕度傳感器和RS-485接口電路構(gòu)成.單片機(jī)采用A TM EL的A TM EGA 16L微控制器,數(shù)字溫濕度傳感器采用瑞士森斯瑞 (Sensirion)公司推出的SH T15型超小型、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器,SH T15溫濕度傳感器的相對濕度測量范圍0～100%,分辨率達(dá)0.03%,最高精度為±2%RH,溫度測量范圍-40～+123.8℃,分辨率為0.1℃,響應(yīng)時間小于3 s[11].由于花卉大棚的采暖/降溫和加濕/通風(fēng)設(shè)備是開關(guān)設(shè)備,控制算法采用Bang-Bang控制.即通過設(shè)定被控量的上下限,通過控制儀表的繼電器輸出來控制各個設(shè)備的啟動或停止.

軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集程序和RS-485通信程序構(gòu)成,數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)讀取數(shù)字傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)并將其存儲到A TM EGA 16L微控制器的片上RAM.RS-485通信程序負(fù)責(zé)接收嵌入式Web Server發(fā)來的控制命令并向嵌入式Web Server提交數(shù)據(jù).

3 RS-485網(wǎng)絡(luò)

RS-485是EIA制定的兩線、半雙工多點(diǎn)通信標(biāo)準(zhǔn).RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收,因此具有抑制共模干擾的能力.加上總線收發(fā)器具有高靈敏度,能檢測低至200 m V的電壓,故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù).RS-485采用半雙工工作方式,任何時候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài),因此,發(fā)送電路須由使能信號加以控制.RS-485用于多點(diǎn)互連時非常方便,可以省掉許多信號線.應(yīng)用RS-485可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng),其允許最多并聯(lián)32臺驅(qū)動器和32臺接收器.RS-485的最大傳輸距離約為1 219 m,最大傳輸速率為10 M bp s.平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比,在100 Kbp s速率以下,才可能使用規(guī)定最長的電纜長度.為了達(dá)到較大的監(jiān)控范圍,本系統(tǒng)中RS-485的傳輸速率設(shè)定為9 600 Baud,嵌入式Web Server和監(jiān)控儀表之間采用MODBUS協(xié)議通信.

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)已經(jīng)在某花卉大棚得到應(yīng)用,監(jiān)控面積2 000 m2,共設(shè)5個監(jiān)控點(diǎn),各監(jiān)控點(diǎn)經(jīng)RS-485總線連接到嵌入式Web Server.通過TL-WR340G+路由器接入市場局域網(wǎng)和Internet.在 TL-WR340G+上將嵌入式Web Server配置為虛擬服務(wù)器,然后申請花生殼動態(tài)域名并在 TL-WR340G+上進(jìn)行配置,從而實(shí)現(xiàn)了外網(wǎng)通過Internet對監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問.根據(jù)花卉市場的要求和北方氣候特點(diǎn),將溫度上下限預(yù)設(shè)為15℃～35℃,濕度上下限預(yù)設(shè)為60%～80%RH[12].為了監(jiān)測系統(tǒng)的性能和可靠性,使用VB6.0編寫了簡單的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)采集程序,每隔20 min獲取一次溫濕度數(shù)據(jù)及報(bào)警情況,并將獲取到的數(shù)據(jù)存儲到mdb數(shù)據(jù)庫以便分析和統(tǒng)計(jì),系統(tǒng)24 h實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖2.

以上是2009年9月18日的溫濕度數(shù)據(jù),溫度數(shù)據(jù)曲線變化趨勢與當(dāng)日氣溫曲線趨勢基本吻合,但要高于室外氣溫5～8℃.4～10月份溫度數(shù)據(jù)受人員活動的影響并不大,但在11～3月份,由于室內(nèi)外溫差大,所以溫度數(shù)據(jù)會有較大的起伏,應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控.室內(nèi)濕度曲線的變化主要受營業(yè)人員的活動及客流的影響,有時變動幅度較大.統(tǒng)計(jì)結(jié)果說明本系統(tǒng)能實(shí)時采集大棚溫濕度數(shù)據(jù),且采集到的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差≤0.5℃,濕度數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差≤3%RH.能根據(jù)溫濕度上下限發(fā)出報(bào)警信息和控制信號.系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行60 d無故障出現(xiàn),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,性能完全滿足應(yīng)用需求.

隨著我國大棚農(nóng)業(yè)的發(fā)展,智能溫濕度監(jiān)控將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工監(jiān)控.本系統(tǒng)以其智能監(jiān)控、高可靠性、低成本和應(yīng)用靈活性將得到廣泛應(yīng)用.

圖2 系統(tǒng)24h實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)2009年9月18日溫度及報(bào)警曲線

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