基于ARM的溫室智能監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

張阿鵬　王引衛(wèi)　白軍元

摘 要：依據(jù)溫室植物生長(zhǎng)對(duì)溫濕度、光照、CO2等環(huán)境參數(shù)變化的控制要求，本文闡述了一種以TM4C1230E6PM為核心的溫室多參數(shù)智能監(jiān)控終端設(shè)計(jì)，完成溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)的分類處理、存儲(chǔ)、顯示、預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看分析等功能。該系統(tǒng)原理樣機(jī)已完成軟硬件的調(diào)試、測(cè)試，性能穩(wěn)定，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控；ARM；存儲(chǔ)；RS485總線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.15.122

0 引言

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上成型的溫室控制器只能實(shí)現(xiàn)對(duì)單一環(huán)境因子監(jiān)測(cè)，不能滿足溫室生產(chǎn)的實(shí)際需求，為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于TM4C1230E6PM為核心的溫室智能監(jiān)控終端，通過(guò)不同的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、分析預(yù)警功能，大大提高了溫室管理的智能化水平。

1 溫室智能監(jiān)控終端硬件總體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，該終端功能模塊包括處理器模塊、存儲(chǔ)模塊、通訊及采集模塊、電源模塊、按鍵顯示模塊等。

處理器模塊完成各接口數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、顯示及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)控制等功能；存儲(chǔ)模塊為SPI接口的FlashRAM，完成功能軟件的存儲(chǔ)、運(yùn)行，采集數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；通訊及采集模塊選用了高速通用串行多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離通信的RS485總線，實(shí)現(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程控制端通信功能；電源模塊作為二級(jí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)溫室提供電源的二級(jí)轉(zhuǎn)換，給各模塊提供所需電源；按鍵顯示模塊作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互輸入及參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示、預(yù)警、查看等。

該終端通過(guò)RS485總線查詢溫室內(nèi)溫濕度等傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析和處理，并實(shí)時(shí)顯示。

2 溫室智能監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

（1）微處理器。主控制模塊選用TM4C1230E6PM是基于ARM公司的Cortex-M4內(nèi)核的微處理器，主要完成各接口數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、顯示及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)控制等功能，是溫室智能監(jiān)控終端的核心模塊。

（2）存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)模塊主要是將溫室實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)及用戶現(xiàn)場(chǎng)改變的控制參數(shù)存入SPI Flash，其采用SPANSION公司的S25FL128P0XNFI00，容量可以滿足需求，連接處理器集成的SSI接口，配置為SPI模式。

（3）按鍵和數(shù)據(jù)顯示模塊。顯示模塊選用2.7寸OLED屏，分辨率為 128*64。顯示屏下方共設(shè)計(jì)換行、換列、關(guān)屏、設(shè)置、滾動(dòng)、確定鍵。6個(gè)鍵通過(guò)6個(gè)GPIO以中斷方式向微處理器上報(bào)，微處理器接到按鍵輸入中斷后，進(jìn)行判斷后通過(guò)相應(yīng)中斷服務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)各種需求的功能。

（4）通訊及采集模塊。通訊接口需求為兩路，一路連接傳感器，一路對(duì)外通信（包含數(shù)據(jù)讀取、上位機(jī)給智能終端的命令下達(dá)、程序更新、電池電量監(jiān)控及各種可能的串口通訊功能）。設(shè)計(jì)采用處理器集成串口（總共有8路），通過(guò)收發(fā)器SP3485EN擴(kuò)展出兩路RS485接口，實(shí)現(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程控制端通信功能。

（5）電源轉(zhuǎn)換模塊。電源轉(zhuǎn)換模塊以TPS54340核心，將電池輸入轉(zhuǎn)換為微處理器和OLED屏用的穩(wěn)定的DC3.3V。另外，由于電池供電最低電壓為10V，但傳感器輸入電壓需要大于11V，所以增加一路boost電路，用于給傳感器提供穩(wěn)定的12V電壓。

3 溫室智能監(jiān)控終端軟件方案設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)依據(jù)溫室控制要求，完成對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及存儲(chǔ)等功能。

如圖2所示，智能終端加電后，完成硬件系統(tǒng)初始化，處理器脫離復(fù)位后從FlashRAM的0x00000000地址出執(zhí)行主程序，首先對(duì)各功能部件完成關(guān)鍵參數(shù)初始化設(shè)置、功能部件自檢，各傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)中斷方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到處理器，主程序收到硬件中斷后，依據(jù)中斷向量表調(diào)用不同的中斷函數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室數(shù)據(jù)的采集處理、存儲(chǔ)及通信等功能。主程序以循環(huán)方式執(zhí)行，以確保對(duì)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)溫室作物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的控制要求，設(shè)計(jì)了溫室多參數(shù)智能監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境因子的動(dòng)態(tài)智能監(jiān)控。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫室智能監(jiān)控終端運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：本文得到西京學(xué)院2018-2019學(xué)年研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于ARM的溫室多功能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”的資助。