蔬菜大棚分布式多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

馮榮華，王　強，葉大鵬，謝藝鑫

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州　350002)

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蔬菜大棚分布式多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

馮榮華，王強，葉大鵬，謝藝鑫

(福建農(nóng)林大學(xué) 機電工程學(xué)院，福建 福州350002)

針對蔬菜大棚的管理效率低、管理費用高等問題，設(shè)計了分布式多點溫度智能監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)有效結(jié)合無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、上位機技術(shù)，實現(xiàn)了蔬菜大棚溫度參數(shù)進行多點全方位采集，且具有溫度超過閾值、電壓不足時自動報警的功能。經(jīng)過實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、監(jiān)測實時性強、檢測精度高(可達到97.55%)，可適用于蔬菜大棚中的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。

蔬菜大棚；分布式多點；監(jiān)控系統(tǒng)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對蔬菜的需求量也不斷增長，因而促進了蔬菜溫室大棚的發(fā)展。[1]溫室大棚在培育農(nóng)作物具有受外界環(huán)境干擾小、適用范圍廣和抗災(zāi)能力強等特點，[2]但是農(nóng)作物的生長期間，溫室大棚中溫度參數(shù)直接影響蔬菜產(chǎn)量，[3-5]所以對溫室大棚管理過程中的對溫度參數(shù)的實時監(jiān)控是很有必要的。傳統(tǒng)的蔬菜大棚管理中，溫度參數(shù)的監(jiān)測主要靠人工來進行監(jiān)測，人工監(jiān)測存在很多不足，如監(jiān)測實時性差，檢測設(shè)備昂貴，檢測的范圍不夠全面。[6]

基于這些基本思想，本文設(shè)計了一種蔬菜大棚中遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)。主要是利用單片機作為系統(tǒng)核心控制器，DS18B20作為檢測溫度的傳感器并利用其單總線數(shù)據(jù)通信協(xié)議的優(yōu)勢實現(xiàn)單線多點溫度采集，液晶顯示屏將采集的數(shù)據(jù)進行顯示，無線射頻收發(fā)模塊作為無線通信實現(xiàn)溫室中分布式多點數(shù)據(jù)采集，RS485作為上、下位機通信的橋梁。系統(tǒng)的上位機是利用Qt軟件實現(xiàn)的，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進行顯示、處理、存儲以及溫度超過閾值時進行報警等功能。大量實驗證明，該系統(tǒng)工作能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室大棚的環(huán)境參數(shù)進行全方位的監(jiān)測，而且操作方便、監(jiān)測實時性好、工作穩(wěn)定、性價比高、可擴展性強。該系統(tǒng)可適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測當(dāng)中，提高了能農(nóng)業(yè)管理的智能化和現(xiàn)代。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)包括上位機和下位機兩個部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總框圖(如圖1所示)，其中下位機主要采集環(huán)境的溫度參數(shù)采集、節(jié)點電壓采集和數(shù)據(jù)的顯示功能。溫度參數(shù)的采集過程中采用單總線DS18B20傳感器進行組網(wǎng)實現(xiàn)，即一條信號線上連接多個傳感器，節(jié)約了單片機的I/O資源，提高環(huán)境采集數(shù)據(jù)的準確性；利用無線射頻收發(fā)模塊組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)蔬菜大棚中數(shù)據(jù)通信只采用有線的方式進行傳送的局限性，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位多點溫度參數(shù)檢測。上位機是由QT軟件編程實現(xiàn)，主要負責(zé)將下位機傳送的數(shù)據(jù)進顯示、設(shè)定正常溫度的閾值，歷史數(shù)據(jù)的存儲、查詢和比較等功能。

圖1　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計過程單片機控制器采用的是增強型51單片機STC12C5A60S2，其外圍電路的設(shè)計主要包括電源模塊、溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、無線射頻收發(fā)模塊、報警模塊和RS485通信模塊。

2.1電源模塊設(shè)計。

系統(tǒng)電源設(shè)計的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，本系統(tǒng)所用到的電源有直流電壓3.3V和5V，其中3.3V主要是給無線射頻收發(fā)模塊供電，5V電壓是給單片機，顯示模塊等供電。基于這些要求，電源分別采用LM7805和LM1117-3.3低壓差三端穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在5V和3.3V，該電源模塊輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強，且開發(fā)費用便宜。系統(tǒng)電源模塊硬件設(shè)計原理圖(如圖2所示)。

圖2　系統(tǒng)穩(wěn)壓電壓模塊

2.2具體設(shè)計。

2.2.1溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

本系統(tǒng)采用美國DALLAS推出的全新數(shù)字式DS18B20溫度傳感器，每一個傳感器出廠時帶有唯一標識的序列號，進行溫度讀取的時候要先讀取其序列號。該傳感器采用“單總線”的通信協(xié)議與單片機之間進行通信，可以實現(xiàn)單線多點組網(wǎng)功能，僅僅利用單片機的一個I/O口就能夠讀取多個傳感器的溫度值，同時可傳送CRC校驗碼，具有很強的抗干擾能力。該傳感器采集溫度的范圍廣，溫度范圍為-55°C到+125°C，在-10°C到85°C時采集精度為0.5度，[7-8]本文利用DS18B20測溫的過程中采用單線多點組網(wǎng)的方式進行實現(xiàn)，其傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件連接圖(如圖3所示)。

圖3　單總線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接圖

2.2.2無線射頻收發(fā)模塊設(shè)計。

本文無線通信模塊采用的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊，它是挪威Nordic公司出品的一款高速、低功耗、低成本無線模塊。該無線收發(fā)芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz全球免費的(ISM)頻率。該模塊與單片機之間通過3線SPI接口進行雙向通信，其發(fā)射功率和工作頻率等工作參數(shù)可以很容易通過SPI端口完成。它具有極低的電流消耗，在-5dBm的輸出功率時僅為10.5mA，在接收模式時僅為18mA,適用于農(nóng)業(yè)信息采集低功耗的應(yīng)用。它與單片機之間的硬件連接圖(如圖4所示)。

圖4　無線射頻模塊

2.2.3 RS485通訊模塊設(shè)計。

本系統(tǒng)設(shè)計過程當(dāng)中下位機與上位機的通信利用RS485模塊進行。RS485通信操作過程和RS232類似，但是相比較而言RS485具有諸多有點，它在數(shù)據(jù)傳送過程中，抗干擾能力強、傳送距離遠理論上最長距離可以達到1200米，而且方便進行組網(wǎng)。[9]然而PC機只帶有RS232接口，本系統(tǒng)在設(shè)計的過程中通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換電路將PC機串口RS232信號轉(zhuǎn)換成RS485信號實現(xiàn)與下位機的通信。RS232與RS485串口電平轉(zhuǎn)換連接圖(如圖5所示)。

圖5　RS485電平轉(zhuǎn)換部分原理圖

3軟件設(shè)計

3.1主節(jié)點程序框架(如圖6所示)。

圖6　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2數(shù)據(jù)滑動平均處理。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程采用滑動平均的方式進行可以增加數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，其軟件流程圖(如圖7所示)。

圖7　滑動平均程序流程圖

3.3 RS485通信模塊設(shè)計。

上位機和下位機之間采用RS485串口通信，其成宿流程圖(如圖8所示)。

圖8　串口程序流程圖

3.4上位機程序設(shè)計。

本系統(tǒng)采用c++語言基于Qt Creator軟件編寫上位機軟件。上位機軟件能夠?qū)崟r的和下位機軟件之間進行通信，并且將指定傳感器的溫度值顯示在上位機所對應(yīng)的指定位置。Qt Creator是一款強大制作上位機的軟件，它能夠在windows平臺上很簡單的開發(fā)出界面美觀的上位機。系統(tǒng)中用到了串口方面的類有win_qextserialpo和qextserialbase這兩個類，然后自己封裝了一個讀取串口的函數(shù)，通過信號與槽機制觸發(fā)上位機接收來自下位機的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計的上位機界面(如圖9所示)。

圖9　上位機界面

4試驗分析與結(jié)論

4.1數(shù)據(jù)的校驗。

在傳感器檢測領(lǐng)域當(dāng)中，數(shù)據(jù)檢測精度的高低，直接影響了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用高精度水銀溫度度計，對檢測的數(shù)據(jù)進行校驗。無線傳感器節(jié)點每20分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過6個小時的校驗，檢測的誤差小于2.45%,結(jié)果(如圖10所示)。

圖10　數(shù)據(jù)校驗圖

4.2系統(tǒng)的性能測試圖。

本系統(tǒng)性能測試過程中，讓傳感器節(jié)點每20分鐘進行一次數(shù)據(jù)的采集。(如圖11所示)分別采集節(jié)點1，節(jié)點2，節(jié)點3這三個節(jié)點上單總線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各傳感器采集數(shù)據(jù)的平均值。

圖11　節(jié)點的性能測試圖

5結(jié)論

本文設(shè)計了一套面向蔬菜溫室大棚的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機和下位機組成，實現(xiàn)了對大棚溫度全方位的檢測。經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、檢測精度高(可以達到97.55%)、開發(fā)成本低。本系統(tǒng)也可在類似的農(nóng)業(yè)信息采集方面進行推廣，增加了各類傳感器對環(huán)境各項參數(shù)的采集，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

[1]梁萬用,謝澤會,王延峰. 基于ZigBee的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(25):12187-12188+12190.

[2]韓力英,楊宜菩,王楊,唐紅梅,牛新環(huán). 基于單片機的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2016(1):65-68+72.

[3]劉海洋,王慧,陳智,宣傳忠. 溫室環(huán)境信息實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2014(4):65-69.

[4]劉力,鮑安紅,曹樹星,胡秀芝. 溫室大棚內(nèi)環(huán)境自動化控制方案設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2013(1):90-93.

[5]孔國利,席紅旗. 蔬菜大棚溫濕度和土壤水分自動智能管理系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機化研究,2015(8):184-188.

[6]李耀,許朋,劉木華,洪茜,彭義杰,趙進輝. 大棚中無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報,2016(2):85-87+92.

[7]湯鍇杰,栗燦,王迪,張琴. 基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2014(3):99-102.

[8]陳彩蓉,胡飛. 基于DS18B20的溫室溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009(36):7870-7871+7901.

[9]盧嫚. 基于RS-485總線的溫室多點監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

Class No.:TP274Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

Design of Distributed Multi-point Temperature Monitoring System in Vegetable Greenhouses

Feng Ronghua,Wang Qiang,Ye Dapeng,Xie Yixin

(School of Mechanical& Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002，China)

Considering problems of low management efficiency and high administration cost in vegetable greenhouse, a distributed multi-point temperature intelligent monitoring system was designed. This system could realize the goal of multi-point and comprehensive information acquisition, automatic alarm when temperature runs above the threshold or in low voltage state by combining the wireless communication technology with the sensor and upper monitor technology . The result shows that this system is suitable for the environment parameters monitoring in greenhouse with the features of stable operation, strong real-time performance and high inspection accuracy (97.55%).

vegetable greenhouses; distributed multi-point; monitoring system

馮榮華，在讀碩士，福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院。

葉大鵬，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院。研究方向：環(huán)境監(jiān)測與控制。

福建省科技重大專項(2014NZ0002-1 )；福建省高水平大學(xué)建設(shè)重點項目(612014017)。

1672-6758(2016)09-0050-4

TP274

A