果蔬大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

湯單成　張志成　劉夫興

【摘 要】論文設(shè)計了一個果蔬大棚溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)在上位機軟件上監(jiān)視與控制任意一個大棚的溫度和濕度。該系統(tǒng)具有控制便捷、智能化程度高的特點，有較高的應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】溫濕度；溫室大棚；422通行網(wǎng)絡(luò)；上位機

0.引言

目前中國北方在冬季種植反季節(jié)蔬菜水果仍采用落后的生產(chǎn)方式，以經(jīng)驗和人體感官來管理溫室大棚，這樣使得蔬菜水果并不能獲得最好的生長環(huán)境，也不能生產(chǎn)出上層的產(chǎn)品。如果能有一個系統(tǒng)既可以實現(xiàn)溫濕度環(huán)境的控制，又可以實現(xiàn)高度智能化，則有利于擴大生產(chǎn)規(guī)模，緩解甚至解決北方果蔬市場需求問題。

1.系統(tǒng)設(shè)計功能

圖1

圖2

圖1所示為果蔬大棚溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的原理圖。整個系統(tǒng)由一個控制終端和若干個大棚組成（本項目只以三個為例）。系統(tǒng)控制終端的上位機窗口可以實時監(jiān)視所有大棚內(nèi)的溫濕度并且修改任一大棚內(nèi)的溫濕度變化范圍。當(dāng)其中一個大棚內(nèi)的溫度或濕度越過預(yù)設(shè)界限時，上位機窗口顯示大棚溫濕度并發(fā)出指示燈和語音越界報警。假如1號大棚內(nèi)的溫度測試點1的溫度高于預(yù)設(shè)值，濕度低于預(yù)設(shè)值，那么上位機窗口在1號大棚的顯示區(qū)域內(nèi)，溫度指示燈變紅色（指示燈為紅色則實際值高于預(yù)設(shè)上邊界值，為黃色則在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，為藍色則低于預(yù)設(shè)值），濕度指示燈變藍色，語音播出“1號大棚內(nèi)，溫度過高，濕度過低”。

每個大棚內(nèi)的預(yù)設(shè)的溫濕度界限值，只需在上位機窗口輸入相應(yīng)的值，上位機自動將預(yù)設(shè)值發(fā)送給對應(yīng)大棚內(nèi)的處理器。上位機窗口顯示各個大棚內(nèi)的溫濕度值，則是實時更新。圖2所示為大棚內(nèi)部小系統(tǒng)，由一個單片機（ATMEGA16）和三個溫濕度測試點組成。這三個點分布在大棚內(nèi)的不同位置。單片機對大棚內(nèi)的三個測試點的傳感器進行數(shù)據(jù)的讀取、處理、發(fā)送至上位機，同時也接收上位機發(fā)來的指令，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度，實現(xiàn)全雙工通信。在大棚中的每個測試點都對應(yīng)有加濕機和除濕機，可以很好解決大棚內(nèi)溫濕度局部不均的現(xiàn)象。當(dāng)溫度或濕度不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，單片機則直接控制加濕機或加熱機做出相應(yīng)動作。然后再發(fā)送溫濕度數(shù)值。所以大棚內(nèi)部是一個很獨立的系統(tǒng)，可以實時控制大棚內(nèi)的溫濕度。與上位機之間通信只是接收上位機發(fā)來的溫濕度預(yù)設(shè)指令和發(fā)送大棚內(nèi)實時溫濕度數(shù)值。大棚與上位機之間通信采用422通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸數(shù)據(jù)性能可靠，傳輸距離遠，數(shù)據(jù)實時更新。422通信網(wǎng)絡(luò)可以接入若干個大棚。只需在通信總線上接入大棚內(nèi)單片機通信接口就可以很好實現(xiàn)上位機與每個大棚之間通信（此處為422總線不同于傳感器的單總線）。所有大棚統(tǒng)一由上位機管理。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

上位機是基于windows操作系統(tǒng)編寫，所以硬件無需再設(shè)計，只需要一個USB轉(zhuǎn)串口線，即可解決UT-203與PC機之間連接。

目前通用的串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)主要有RS232、RS422和RS485，其中RS232屬于單端不平衡傳輸協(xié)議，傳輸距離短，抗干擾性差；RS 485與RS422均為平衡通信接口，但RS485他只有一對雙絞線，工作于半雙工模式。RS422屬于一種平衡通信接口，采用全雙工通信模式，傳輸速率高達10Mb/s，傳輸距離長2000m，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。由于其各方面的優(yōu)異性能，本項目選用422通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信。

在此，我們通過使用UT-203RS232轉(zhuǎn)RS485/422轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)， 此轉(zhuǎn)換器能夠?qū)味说男盘栟D(zhuǎn)換為平衡差分的RS-422信號，可將通信距離延長至1.2公里，無需外接電源采用獨特的“RS-232電荷泵”驅(qū)動，不需要靠初始化RS-232串口可得到電源， 內(nèi)部帶有零延時自動收發(fā)轉(zhuǎn)換，獨有的電路自動控制數(shù)據(jù)流方向，而不需任何握手信號（如 RTS、DTR等），無需跳線設(shè)置實現(xiàn)全雙工（RS-422）模式轉(zhuǎn)換，從而保證了RS-232在全雙工方式下編寫的程序無需更改便可在RS-422方式下運行，確保適合現(xiàn)有的操作軟件和接口硬件。轉(zhuǎn)換器的傳輸速率300-115.2Kbps，完全可以實現(xiàn)本項目中上位機與單片機之間構(gòu)成點到多點遠程多機通信網(wǎng)絡(luò)。只需將一個UT-203接上位機，再用3個UT-203依次接三個大棚，將UT-203連接在一起，見圖1所示的連接方式。

從機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有微控制器ATMEGA16的最小系統(tǒng)電路，AM2303的工作電路，加濕機與加溫機的控制電路，單片機JTAG調(diào)試接口，RS232的通信電路以及單片機運行閃爍指示燈組成。系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓5V電源供電。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1上位機軟件設(shè)計

上位機采用VB語言編寫，在上位機窗口上有上中下三個顯示區(qū)域依次對應(yīng)著1號2號3號大棚，在每一個顯示區(qū)域中依次顯示著測試點1的溫度和濕度值，測試點2的溫度和濕度值，以及測試點3的溫度和濕度值。在每個顯示區(qū)域內(nèi)的下面有該大棚預(yù)設(shè)溫度和濕度值的輸入框，只需輸入相應(yīng)的值，上位機便自動完成發(fā)送工作。在每個顯示區(qū)域內(nèi)的右側(cè)有選擇框，選擇是否開啟此大棚的監(jiān)視功能，每個大棚的監(jiān)視是獨立的。選擇框下面則是大棚監(jiān)視時間長度，可以顯示大棚監(jiān)視時長。在每一個溫度和濕度顯示框后面都有一個狀態(tài)指示燈，比如1號大棚測試點1溫度過高，濕度過低，則在上位機上部的顯示區(qū)域內(nèi)，測試點1的溫度指示燈變紅，濕度指示燈變藍，同時語音播出：“1號大棚測試點1的溫度過高，濕度過低”。如果溫度和濕度都在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，那么指示燈為黃色，語音不發(fā)出聲音。上位機與從機之間通信，上位機為主控方，上位機先給1號從機發(fā)送溫濕度上下限值，并在這一串指令的首尾加上校驗碼，并轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，如果1號從機校驗成功（說明指令接收正確）則將上位機最新的三個測試點的溫度和濕度的數(shù)值加上校驗碼發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)后驗證校驗碼，正確則進行2號從機的指令發(fā)送工作。如果一號機沒有校驗成功，那么上位機在等待狀態(tài)下等待10ms之后，繼續(xù)給2號從機發(fā)送溫濕度上下限值。然后發(fā)送給3號從機，再1號機……這樣一直循環(huán)下去。

3.2從機軟件設(shè)計

從機即每一個獨立的溫室大棚，在每一個大棚中有1個微控制器，3個測試點，控制器為ATMEGA16單片機。ATMEGA16 通過單總線協(xié)議讀取溫濕度傳感器AM2303的溫濕度轉(zhuǎn)換數(shù)值，AM2303每次讀取40位二進制數(shù)，前16位為溫度值，緊接著16位是濕度值，最后8位是校驗值。單片機依次對3個測試點進行數(shù)據(jù)讀取。當(dāng)每次讀取校驗成功，單片機對溫度和濕度的值進行處理，如果某一測試點的溫濕度值大于或小于上位機發(fā)來的預(yù)設(shè)值，單片機則控制加濕機或加溫機進行工作。假如測試點1的溫度超過預(yù)設(shè)值，濕度低于預(yù)設(shè)值。那么單片機控制測試點1處的加濕機加濕，降溫機降溫。然后再進行測試點2的溫濕度讀取與控制，測試點3溫濕度讀取與控制，如此循環(huán)。與上位機之間通信，考慮到響應(yīng)主機的實時性，我們采用中斷接收數(shù)據(jù)，當(dāng)主機發(fā)送指令到總線上，所有從機立即停止正在做的事情，去接收主機的一串指令，假如這串指令的校驗碼是1號從機的，那么別的從機一校驗不是他們的則繼續(xù)回去處理正在處理的事情，而1號從機校驗成功，將接收到的數(shù)據(jù)存起來之后，向上位機發(fā)送1號從機的最新溫度和濕度的值。如果1號主機沒有校驗成功，那么從機都不做反應(yīng)。上位機等待10ms之后就會轉(zhuǎn)入發(fā)送2號從機的指令。

3.3誤差處理

誤差主要有兩個方面，一是AM2303讀取出錯造成的誤差，二是422通信錯誤造成的誤差。對于對溫濕度傳感器讀取誤差我們采用自帶校驗值校驗，每次校驗成功則更新數(shù)據(jù)，否則不更新。422通信錯誤誤差，我們采用指令首尾校驗，校驗成功則更新數(shù)據(jù)，校驗錯誤則接收到的數(shù)據(jù)作廢，等待下次再接收。

【參考文獻】

[1]馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實踐（第二版）.北京航空航天大學(xué)出版社，2011，8.

[2]求是科技.單片機通信技術(shù)與工程實踐（第一版）.人民郵電出版社，2005，1.

[3]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)與VHDL（第三版）.清華大學(xué)出版社，2009，9.