基于單片機(jī)的果園智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

莊立群

（江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宜興 214200）

果園管理和與普通大棚管理最大的區(qū)別在于果園外部環(huán)境更加復(fù)雜多變，因此有必要對(duì)果園安裝智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、高效及智能現(xiàn)代化的果園管理目標(biāo)?，F(xiàn)階段，科研人員基于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的果園智能監(jiān)控系統(tǒng)研究較多，但對(duì)于單片機(jī)無(wú)線電子傳感果園智能監(jiān)控研究相對(duì)較少。本文根據(jù)普通果園監(jiān)控需求，設(shè)計(jì)了一種基于低功耗單片機(jī)MSP430f149為核心的果園智能監(jiān)控系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)監(jiān)控各種果園環(huán)境參數(shù)的同時(shí)，起到防火災(zāi)預(yù)警、驅(qū)逐害鳥的作用。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所設(shè)計(jì)的果園智能監(jiān)控系統(tǒng)由MSP430f149單片機(jī)、蜂鳴器報(bào)警裝置、電源裝置、氣體傳感器裝置、熱釋電紅外人體感應(yīng)裝置、溫濕度傳感器裝置和串口通信裝置7個(gè)部分組成，能夠?qū)麍@內(nèi)部煙霧濃度、溫濕度、果園安全防護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，各傳感器裝置通過(guò)信號(hào)采集端口接收原始模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后在計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件上顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果；同時(shí)操作人員根據(jù)反饋結(jié)果設(shè)置相應(yīng)模塊參數(shù)，如使用HTU21D溫濕度傳感器感應(yīng)果園環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)變化。另外，該系統(tǒng)還配備有煙霧傳感器，當(dāng)果園發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警。計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)控平臺(tái)用VB程序進(jìn)行編寫，具備果園實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)顯示和控制功能，讓計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面更加人性化。本文所設(shè)計(jì)的果園智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 果園智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本果園智能監(jiān)控系統(tǒng)由MSP430f149單片、供電模塊、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器和計(jì)算機(jī)監(jiān)控硬件構(gòu)成。

2.1 單片機(jī)選擇

本設(shè)計(jì)采用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的16位低功耗MSP430F149單片機(jī)，自帶60k FLASH，具有快速蘇醒、超低功耗等特點(diǎn)。芯片內(nèi)部自帶大量的外圍模塊、2k大容量存儲(chǔ)空間、獨(dú)立CPU硬件乘法器、兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器、兩個(gè)外部晶振、一個(gè)高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)內(nèi)部DCO振蕩器和2個(gè)異步或同步通道串行通信端口，同時(shí)支持ISP，方便在線升級(jí)、生產(chǎn)與調(diào)試。另外，該單片機(jī)能抗電干擾，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，適用工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境。

圖1 果園智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器選擇

2.2.1 煙霧傳感器。本設(shè)計(jì)采用GTH1000煙霧傳感器，該煙霧傳感器對(duì)一氧化碳?xì)怏w、煙霧粒子的靈敏度較高，對(duì)火災(zāi)煙霧也有一定識(shí)別功能，是一種適合于多領(lǐng)域范圍的低成本煙霧傳感器［1］。GTH1000煙霧傳感器能夠自動(dòng)識(shí)別氣體是否含有火災(zāi)煙霧中的氣、液或固體微粒群，如果超過(guò)設(shè)定閾值則將監(jiān)測(cè)到的氣體參數(shù)傳送至MSP430F149單片機(jī)P6.6端口，MSP430f149單片機(jī)接收模擬信號(hào)后，與設(shè)置參數(shù)對(duì)比，如果超出閾值則發(fā)出聲音報(bào)警，并在上位機(jī)上進(jìn)行顯示。

2.2.2 溫濕度傳感器模塊。本設(shè)計(jì)選擇HTU21D作為溫濕度傳感模塊，這是一款由法國(guó)Humirel生產(chǎn)的高性能復(fù)合溫濕度傳感器。HTU21D溫濕度傳感器工作電壓為1.5～3.6 V，具有體積小、性價(jià)比高、功耗低、抗結(jié)露、高靈敏度以及抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。HTU21D溫濕度傳感主要包括電阻式感濕元件和測(cè)溫元件［2］。所有HTU21D溫濕度傳感器的校準(zhǔn)均在高精度濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行，HTU21D溫濕度傳感器在檢測(cè)信號(hào)過(guò)程中會(huì)調(diào)用OTP ROM中的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 供電模塊

本設(shè)計(jì)采用3.3 V HT7333A穩(wěn)壓芯片，將常用的5.0 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V電源，供給單片機(jī)使用。HT7333A穩(wěn)壓芯片通過(guò)正向低壓降穩(wěn)壓器，將5.0 V電源直接轉(zhuǎn)換成3.3 V電源。為確保3.3 V電源輸出穩(wěn)態(tài)，在輸出端增加了1個(gè)100μF電容。另外，在MSP430F149芯片輸入引腳也放置了一個(gè)100pF的濾波電容，避免芯片輸入引腳受到的干擾。

3 果園智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)設(shè)計(jì)軟件由主程序、數(shù)模轉(zhuǎn)化、GTH1000煙霧傳感器、Max232串口通信模塊、蜂鳴器報(bào)警和HTU21D溫濕度傳感器等子程序模塊組成。通過(guò)下位機(jī)各子程序模塊實(shí)現(xiàn)MSP430F149單片機(jī)對(duì)監(jiān)控信息采集、分析、處理和響應(yīng)等功能。本系統(tǒng)軟件編程采用Dev-Cpp軟件進(jìn)行C語(yǔ)言編程，Dev-Cpp軟件開發(fā)環(huán)境集合了工程編輯器、仿真調(diào)試器和多頁(yè)面窗口，智能果園監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程圖如圖2所示。主程序開始運(yùn)行時(shí)先對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換、端口、串口和定時(shí)器進(jìn)行初始化設(shè)置，然后啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)入低功耗模式，采集熱釋電紅外和煙霧模擬電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，若超過(guò)預(yù)定閾值，蜂鳴器將會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能果園監(jiān)控系統(tǒng)采用VB開發(fā)上位機(jī)控制平臺(tái)，上位機(jī)與下位機(jī)利用RS-232通行方式執(zhí)行串口初始化指令，并確定握手協(xié)議，發(fā)送接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)通信。串口初始化選擇通信使用的串口；握手協(xié)議調(diào)通握手信號(hào)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的正常數(shù)據(jù)傳輸；串口測(cè)控程序由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出命令，同時(shí)需要由下位機(jī)向上位機(jī)反饋數(shù)據(jù)，使上位機(jī)了解系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)或下位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。本監(jiān)控系統(tǒng)利用Spcomm串口控件，接收上位機(jī)信息并向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意在串口空置時(shí)及時(shí)關(guān)閉串口，釋放系統(tǒng)空間，保證系統(tǒng)其他應(yīng)用快速響應(yīng)。

圖2 果園智能監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)果園智能監(jiān)控需求構(gòu)建了一個(gè)果園智能監(jiān)控系統(tǒng)。該智能監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集果園溫濕度、煙霧、安防等環(huán)境信息，同時(shí)蜂鳴器定時(shí)發(fā)出聲音來(lái)驅(qū)逐害鳥。該監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)充分利用了MSP430F149單片機(jī)擴(kuò)展功能，上位機(jī)顯示果園動(dòng)態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)果園智能化監(jiān)控目標(biāo)。