溫室溫度信息一體化的設計與研究

【摘要】本文介紹了使用AT89S51單片機和溫度傳感模塊構(gòu)造的溫度采集系統(tǒng)，構(gòu)造出在開發(fā)板的基礎上設計出的溫室溫度測量系統(tǒng)，研究出了前臺，同樣通過有線網(wǎng)或者無線網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術進行實時的信息傳輸和交換，使相關的操作人員可以在不同距離下進行指揮和調(diào)度，確保溫室溫度在相關的季節(jié)保持一個合適的狀態(tài)，達到高效增產(chǎn)的目的。

【關鍵詞】單片機；溫度控制；AT89S51；傳感器；ZIGBEE

1.引言

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展給不同行業(yè)的發(fā)展帶來了新鮮的技術，由于物聯(lián)網(wǎng)有交互性和實時性的特點，在工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)、電子商務、智能家居等方面提供了很大的技術支持[1]。在各個方面有很大的技術空間和開發(fā)環(huán)境，比如在智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方面也很有前景，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中的打藥、施肥、澆水，農(nóng)民全靠感覺、憑經(jīng)驗。如今要發(fā)展現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)除了要憑感覺和經(jīng)驗，先進的技術手段也必不可少，可以在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上設計農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)通風系統(tǒng)以及農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)等各個方面，本文就是在這樣的技術前提下，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室溫度控制系統(tǒng)，全面的設計和介紹了這種系統(tǒng)的架構(gòu)和實現(xiàn)。

2.系統(tǒng)的設計與架構(gòu)

2.1 性能指標

本設計的前臺是溫度采集和控制系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)下要完成溫度的采集和整理需要相關的設計器件，如溫度傳感器，本設計中的溫度傳感器采用了DS18B20型號的傳感器，測量的范圍比較廣，精度也比較高，可以通過液晶顯示當前的溫度，也可以設定相關的溫度[2]。設計的微處理器采用了AT89S51系列，采用AT89S51系列有很多特點：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。

在設計中，溫度的采集的傳輸有多種形式，物聯(lián)網(wǎng)的基礎技術還包括電子數(shù)據(jù)的交換（E DI）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識別技術（RFID）等關鍵技術[3]。在遠程信息傳輸過程中也采用了是無線網(wǎng)技術，在串口設備聯(lián)網(wǎng)有得天獨特優(yōu)勢的串口WiFi產(chǎn)品線，它的最大特點是：可以通過串口來配置各種參數(shù)，并且實現(xiàn)自主連接，連接完成之后可以直接進行數(shù)據(jù)透傳?？梢詭椭芏嘣O備通過串口就很容易實現(xiàn)WiFi通信，實現(xiàn)物物都聯(lián)網(wǎng)的目的?？梢酝ㄟ^遠程進行控制，當測試的溫度高于溫室溫度的上限值得時候進行遠程降溫，如果采集的溫度低于允許溫度的下限時，將溫室溫度進行加溫，將溫度控制在允許的正常范圍之內(nèi)。

2.2 系統(tǒng)方案比較、設計與論證

該溫度采集系統(tǒng)的前臺系統(tǒng)主要由溫度測量和溫度設置及系統(tǒng)狀態(tài)顯示三部分電路組成，下面介紹實現(xiàn)此系統(tǒng)功能的方案。

（1）溫度測量

采用數(shù)字溫度芯片DS18B20輸出信號全數(shù)字化來測量實際溫度，便于單片機控制及處理，可以簡化很多外圍電路。DS18B20的測量性能很穩(wěn)定，不僅可以測量農(nóng)業(yè)溫度，在工業(yè)溫度的測量中也是可以的。由于測量的精度高，測量的誤差不超過0.5攝氏度[4]。DS18B20的最大特點之一采用了單線采集系統(tǒng)可以直接與計算機進行連接也可以通過電子顯示屏顯示相關的溫度。在這樣的情況下，功耗低，并且體積小，可以節(jié)省成本。采用51單片機控制，軟件編程的自由度大，可以通過簡單的匯編語言程序設計進行編程，還可以采用靈活的C語言進行程序設計。既可以單獨對多DS18B20控制工作，還可以與PC機通信上傳數(shù)據(jù)，另外AT89C51在工業(yè)控制上也有著廣泛的應用，在整體的設計技術已經(jīng)很成熟了[6]。

（2）設置溫度

采用可用4X3型鍵盤輸入設置溫度，鍵盤系統(tǒng)僅需12個按鍵，可以用4X4型。該型鍵盤比較常用，而且用到的接口得到了極好的利用，僅需要8個接口[7]。

（3）狀態(tài)顯示

測溫裝置可以通過遠程的計算機也可以通過開發(fā)板的LCD進行溫度的顯示，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上進行開發(fā)，兩種的可行性都可以。綜上所述各個方案都可以進行開發(fā)，具體的設計如圖1所示。

該系統(tǒng)利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并用LCD（AMPIRE 128X64）顯示該系統(tǒng)實際溫度和設置溫度。該系統(tǒng)還具有非常強的擴展性，可以將它用在實際生活用品中，如普通的加熱設備的使用都可以采用相關的傳感器進行設計。

（4）無線傳輸

作為比較流行的無線傳輸技術，通常采用WIFI作為基本的傳輸網(wǎng)絡，將采集到的溫度信息傳輸?shù)角芭_的計算機上，它傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_到100mbps，傳輸速度較高，而且穩(wěn)定性較好，但是WIFI無線保真技術只適合近距離傳輸，若要使用遠距離傳輸，采用ZIGBEE技術有較好的市場，采用了密鑰技術，有容量大，可靠性好，時延小的特點，并且實現(xiàn)成本比較低。

3.前臺硬件設計電路

溫度采集電路設計中，控制器使用單片機AT89S51，溫度傳感器使用DS18B20，用液晶實現(xiàn)溫度顯示。下面具體分析溫度檢測電路：

DS18B20的供電電源有2種方式：寄生電源方式和外部供電方式。工作于寄生電源方式時，GND和VDD接地，比較適合遠程電路控制和場合，原理是當DQ作為1Wire總線的信號線并且在高電平，DS18B20供電用竊取能量信號[8]，同時一部分能量給內(nèi)部電容充電，當DQ為低電平時釋放能量為DS18B20供電。但寄生電源方式需要強上拉電路，軟件控制變得復雜（特別是在完成溫度轉(zhuǎn)換和拷貝數(shù)據(jù)到E2PROM時）[9]，同時芯片的性能也有所降低。因此，盡量采用外供電方式，在條件允許的場合。無論是外部供電還是內(nèi)部寄生電源，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。DS18B20與芯片連接電路如圖2所示。

4.軟件設計

整個系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。二是監(jiān)控軟件（主程序），它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關系。

5.仿真效果圖的設計

仿真軟件通常采用，PROTEUS來進行繪制，采用PROTEUS仿真具有很多優(yōu)點，比如設計原理清晰，便于在仿真的基礎上進行設計和實現(xiàn)，并且可以大批量的應用于生產(chǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)的設計和實現(xiàn)中有較好的發(fā)展空間，可以清晰顯示傳感器采集的溫度，以及轉(zhuǎn)向加熱或者降溫的過程。

參考文獻

[1]李林琛.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及驗證[J].北京工業(yè)職業(yè)技術學院學報，2010，9（4）：23-25.LI Lin-chen.Research on mathematical model of temperature control system for electric heaters[J].Journal of Beijing Polytechnic College，2010，9（4）：23-25.

[2]陳天榮.溫度控制儀表的現(xiàn)狀與改進[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2008，6（11）：60-101.CHENG Tian-rong.Status and rising of the temperature control Appliances[J].Inner Mongolia Science Technology and Economy，2008，6（11）：99-101.

[3]龐慧娟.淺談物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸協(xié)議[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2012（5）：24-26.

[4]劉兆元.物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務關鍵技術與模式探討[J]；廣東通信技術，2009（12）.

[5]]胡漢才.單片機原理及其接設計[M].北京：清華大學出版社，2004，2.

[6]Sung S W.New process identification method for automatic design of PID controllers[J].Automatic，1998，34（4）：513-520.

[7]李正軍.計算機測控系統(tǒng)的設計與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[8]周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)的設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006，2.

[9]徐小濤，王逢東.基于WMN的多信道物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸機制研究[J].數(shù)據(jù)通信，2011（05）.

[10]]劉兆元.物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務關鍵技術與模式探討[J].廣東通信技術，2009（12）.

基金項目：湖北理工學院青年項目（項目編號：13xjz060）。

作者簡介：田嵩（1981—），女，碩士，現(xiàn)供職于湖北理工學院計算機學院，研究方向：計算機應用技術。