基于CPLD芯片的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

(臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臺州 317000)

0 引言

畜牧業(yè)是我國的重要產(chǎn)業(yè)，研究良好的飼料配方對于畜牧業(yè)市場發(fā)展、保護農(nóng)民利益、確保國家經(jīng)濟增長有著重要意義，因此國家各部門一直十分重視飼料配方的存儲和管理工作[1]。飼料配方生產(chǎn)對環(huán)境有著很高的要求，使用飼料配方生產(chǎn)飼料時，如果周圍環(huán)境不佳，很有可能出現(xiàn)腐爛、發(fā)霉和蟲害等問題，使飼料的質(zhì)量出現(xiàn)問題，只有在適宜的溫度和濕度下，才能生產(chǎn)出最佳的飼料，創(chuàng)造出更大的利益。為了確保飼料生產(chǎn)工作的順利運行，要對飼料配方所在環(huán)境溫度和濕度進行監(jiān)測控制[2]。

目前我國研究出了較多的溫濕度控制系統(tǒng)，但是采用的線路多為CAN總線，這種有線連接方式，布線十分繁瑣復(fù)雜，無論是維修還是通訊都需要花費大量人力、物力，布線之后，設(shè)備很難移動，一旦其中一個節(jié)點出現(xiàn)問題，整個控制系統(tǒng)都無法正常運行[3]。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)缺少測量裝置，因此在測量溫度和濕度時只能采用人工測量，測量誤差大，效率差，成本高。鑒于此，設(shè)計出一套高效穩(wěn)定的溫濕度控制系統(tǒng)對于飼料配方產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著尤為重要的意義。

近年來，電子科技技術(shù)和計算機技術(shù)不斷發(fā)展，CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件被人們提出，這一器件是PAL和GAL的擴展設(shè)備，無論是規(guī)模還是結(jié)構(gòu)都要更加龐大、復(fù)雜，性能更好[4]。綜上，本文基于CPLD芯片設(shè)計了一種新的溫濕度控制系統(tǒng)，針對傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，分別對硬件和軟件進行了強化設(shè)計，最后通過實驗測試探討了本文設(shè)計的基于CPLD的溫、濕度控制系統(tǒng)的可行性。

1 基于CPLD芯片的溫濕度控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文基于CPLD芯片設(shè)計的控制系統(tǒng)由多個節(jié)點組成，分別為溫度傳感節(jié)點、濕度傳感節(jié)點、采集節(jié)點、控制節(jié)點。利用這些節(jié)點連接上位機通信網(wǎng)關(guān)和PC通信網(wǎng)關(guān)，根據(jù)實際需求，將各種節(jié)點放置在需要監(jiān)控的區(qū)域，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)調(diào)控溫度和濕度。

1.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

本文選用瑞士Sensirion公司推出的新型傳感器SH11傳感器，該傳感器為數(shù)字型傳感器，能夠同時調(diào)節(jié)控制溫度和濕度，通過數(shù)字的方式輸出信號，測量精度可以通過編程程序改變，支持CRC傳輸校驗，傳感器采集節(jié)點實物圖如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點示意圖

觀察圖1可知，傳感器內(nèi)部擁有串口通信接口，該接口的加入使用戶在進行軟件調(diào)節(jié)時就可以查到傳感器采集的數(shù)據(jù)。傳感器中的按鍵用于用戶注冊網(wǎng)絡(luò)，利用LED燈來判斷注冊是否成功，如果LED燈顯示顏色為紅色，則證明注冊失??；如果LED燈顯示顏色為綠色，則表示注冊成功。為了降低來自PCB的熱量傳導(dǎo)，使PCB天線更好地工作，傳感器各內(nèi)部元件都會留有縫隙[5]。

CLPD芯片可以對已經(jīng)得到的溫度信號和濕度信號進行校對，確保信號的準(zhǔn)確性[6]。CLPD芯片在得到飼料配方所處環(huán)境溫度和濕度信息之后，會將這些信息轉(zhuǎn)換成微弱的模擬電信號，通過運算放大器將這些電信號放大，再利用14 bit的轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，在串行接口處輸出數(shù)字信號，通過微處理器讀取采集的溫度信號數(shù)據(jù)和濕度信號數(shù)據(jù)。雖然微處理器得到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式輸出，但并非最終的真實數(shù)據(jù)，需要通過線性計算得到最終值。本文選用的SH11傳感器具有很好的線性，能夠在短時間內(nèi)修正溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，提高修正分辨率，使用SH11傳感器后，系統(tǒng)的濕度測量范圍可以達到0%RH～100%RH，精度高達±1.8%RH，溫度的測量范圍在-60 ℃～135,27 ℃，當(dāng)溫度為25 ℃時，測量精度可以達到±0.5 ℃。

1.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

在本文設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)起到協(xié)調(diào)器的作用，幫助系統(tǒng)啟動網(wǎng)絡(luò)、連接網(wǎng)絡(luò)、配置網(wǎng)絡(luò)，同時接收控制命令和發(fā)送數(shù)據(jù)，并將這些信號傳遞給控制節(jié)點，網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⑼ㄐ?、采集、控制等多個設(shè)備連接到一起，確保能夠及時調(diào)控溫度信息和濕度信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點示意圖

觀察圖2可知，網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)內(nèi)部擁有4個LED燈，其中LED2為電源指示燈，負責(zé)顯示電源工作狀態(tài)，LED3表示的是網(wǎng)關(guān)內(nèi)部主控電路的工作狀態(tài)，LED4和LED5都為紅綠雙色燈，根據(jù)LED4指示燈的顏色判斷網(wǎng)絡(luò)工作是否正常，如果指示燈顏色為綠色，則表示正常，紅色表示存在異常，LED5用來判斷網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)收發(fā)是否正常[7]。按鍵1可以重啟整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，按鍵2用來操控網(wǎng)關(guān)內(nèi)部電路。

網(wǎng)關(guān)內(nèi)部擁有多個接口，這些接口主要負責(zé)幫助主控芯片STM32F107和放大芯片CC2530來下載程序。CC2530位于射頻前端，是一種低功耗芯片，該芯片的加入可以有效提高放大器工作能力，提高網(wǎng)關(guān)運行靈敏度，使鏈路預(yù)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。STM32F107主控芯片利用Y4作為實時時鐘的晶振源，工作頻率為31.524 kHz，利用以太網(wǎng)將MII和RMII連接起來，加強控制能力。

1.3 控制器節(jié)點設(shè)計

控制器節(jié)點內(nèi)部加入了多個調(diào)控設(shè)備，利用電源模塊、無線收發(fā)模塊和繼電器控制模塊將各個控制設(shè)備連接到一起，3個模塊彼此獨立。通過按鍵和紅綠雙色燈顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。控制器內(nèi)部加入了12 V電源電壓，專門負責(zé)調(diào)試工作，通過接線使控制節(jié)點和調(diào)控設(shè)備連接，再利用繼電器判斷控制器節(jié)點內(nèi)部所有線路是否接通，進而分析系統(tǒng)的調(diào)控設(shè)備工作是否存有異常[8]?？刂乒?jié)點與中央單元緊密相連，能夠隨時比較閾值，防止調(diào)控系統(tǒng)輸出錯誤的控制信息。除了建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)外，還建立了GSM網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，用戶不需要在現(xiàn)場就可以對溫濕度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了遠程控制。系統(tǒng)內(nèi)部的控制電路如圖3所示。

圖3 控制電路圖

觀察圖3可知，本文采用交流電源供電，供電電壓為220 V，同時加入15 V和4.5 V直流電壓供電，確?？刂乒?jié)點工作正常，通過降壓、整流等處理工作，使系統(tǒng)可以正常運行[9]。電路中的SS14能夠支持所有的標(biāo)準(zhǔn)AT指令，在單片機上設(shè)計了兩個引腳，使單片機能夠與串口直接連接[10]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件功能，主要設(shè)置了傳感器采集節(jié)點程序、控制節(jié)點程序和網(wǎng)關(guān)程序。

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境

本文選用的軟件開發(fā)平臺為IAR平臺，在開發(fā)時，該平臺操作簡單，功能強大，在進行開發(fā)工作時，只需要調(diào)節(jié)API函數(shù)就可以得到相關(guān)的程序。選用的編碼器為IAR C++編碼器，該編碼器內(nèi)部擁有完整的PRO Mable代碼，利用標(biāo)準(zhǔn)的C語言進行編程，針對目標(biāo)廣泛，版本全面，可以隨時中斷和模擬，支持高效浮點和擴展工具，同時能夠分析瓶頸性能，內(nèi)部自配優(yōu)化器加速設(shè)備運行[11]。調(diào)試器選用C-SPY調(diào)試器，該調(diào)試器目前已經(jīng)成為無線應(yīng)用程序的必然選擇，已嵌入的方式進入設(shè)備中，確保系統(tǒng)可以高效穩(wěn)定地工作，內(nèi)部擁有的FLASH/PRO Mable代碼能夠最大程度地節(jié)省硬件資源，使產(chǎn)品成本得到降低，確保系統(tǒng)在市場競爭中取得有利地位[12]。選用的編程語言除了C語言外還有匯編語言，使每個軟件程序都能夠在占據(jù)少量系統(tǒng)資源的情況下，提高執(zhí)行效率。

2.2 傳感器采集節(jié)點程序設(shè)計

本文使用的傳感器是溫濕度傳感器，輸出的信號為數(shù)字信號，要確保輸出的信號與系統(tǒng)內(nèi)部時鐘保持同步，使系統(tǒng)能夠順利接收到中心程序傳來的信號，并向中心程序反饋信號。設(shè)計的傳感器采集節(jié)點程序可以接收如下幾種命令：預(yù)留命令(代碼00111)、溫度測量命令(代碼00010)、濕度測量命令(代碼00100)、讀命令(代碼00101)、寫命令(代碼00100)，清空命令(11100).傳感器采集過程主要有啟動系統(tǒng)、測試命令發(fā)送、測量值校正、測量數(shù)據(jù)讀取。傳感器采集節(jié)點軟件程序圖如圖4所示。

圖4 傳感器采集節(jié)點軟件程序圖

分析圖4，在初始化操作后，系統(tǒng)會得到一組傳輸時序，這組“傳輸時序數(shù)據(jù)”代表數(shù)據(jù)已經(jīng)進入初始化工作狀態(tài)；然后根據(jù)接收到的測試命令，利用SCK時鐘和DATA時鐘對溫度和濕度進行測量，SCK時鐘和DATA時鐘中的電平始終為對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)測試結(jié)束后，將DATA線釋放，使程序進入空閑狀態(tài)，并通過指示燈標(biāo)記測量結(jié)束；軟件程序讀取到的數(shù)據(jù)位測量數(shù)據(jù)，需要利用顯示器將測量數(shù)據(jù)值顯示出來。

2.3 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點能夠?qū)⒏鱾€器件節(jié)點和通信設(shè)備連接到一起，確保得到的信息能夠及時傳給控制器，軟件工作程序如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

在上電之后，對網(wǎng)關(guān)進行初始化操作，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部建立出ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將需要應(yīng)用的傳感器采集節(jié)點和控制節(jié)點引入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且將每個節(jié)點內(nèi)部的地址信息記錄在地址表中，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)定編碼參數(shù)、信道數(shù)量，使軟件程序能夠順利執(zhí)行系統(tǒng)代碼。對信道進行搜索，檢測信道中是否擁有采集節(jié)點傳來的測量信息，如果存在，需要對該數(shù)據(jù)進行接收，并與地址表中記錄的信息互相匹配，同時要判斷傳來的數(shù)據(jù)中是否包含上位機下發(fā)的控制命令，如果有，則需要利用給定的串口將這些數(shù)據(jù)接收，再傳給控制節(jié)點，通過控制程序調(diào)試溫度和濕度。

2.4 控制節(jié)點程序設(shè)計

作為終端節(jié)點的一種，在設(shè)計控制節(jié)點時，也需要首先建立出ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該程序工作流程圖如圖6所示。

圖6 控制節(jié)點軟件流程圖

觀察圖6可知，在上電之后，要首先對控制節(jié)點進行初始化操作，然后在信道上嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果不能連接成功，控制節(jié)點會重新建立網(wǎng)絡(luò)，再次發(fā)送連接請求，直到能夠加入；連接成功后，每個控制節(jié)點會擁有一個網(wǎng)絡(luò)地址，通常地址位為16位；得到網(wǎng)絡(luò)地址后，每個控制節(jié)點就會對網(wǎng)關(guān)下發(fā)的無線傳輸控制命令進行監(jiān)聽，在得到準(zhǔn)確的控制命令之后，使用繼電器和驅(qū)動器對溫度和濕度進行控制；如果沒有得到監(jiān)聽命令，則繼續(xù)監(jiān)聽。

3 溫濕度控制系統(tǒng)測試及分析

為了檢測本文設(shè)計的基于CPLD芯片的溫、濕度控制系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運行，設(shè)計了對比實驗，通過與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行對比，評估該系統(tǒng)的控制性能。

3.1 實驗參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實驗參數(shù)如下：設(shè)定硬件設(shè)備包括ARM7A、LCD、電子溫度計、濕度計，通過時鐘電路和復(fù)位電路將系統(tǒng)中的電子設(shè)備連接到一起。選用的編輯軟件為Keil C51軟件，利用C語言作為編輯語言，提高可讀取性。集成開發(fā)環(huán)境中加入了IAR C++編碼器和C-SPY調(diào)試器。

3.2 系統(tǒng)性能分析

設(shè)定飼料配方的最佳環(huán)境溫度為6.5 ℃、濕度為35.8%RH，飼料配方目前所處環(huán)境溫度為5 ℃，濕度為70%RH，同時使用基于CPLD芯片的控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行調(diào)試，記錄在相同時間內(nèi)的調(diào)試結(jié)果。本文利用熱敏電阻和溫敏電阻組成了振蕩電路，通過該電路檢測傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和本文控制系統(tǒng)的控制效果，在進行檢測時，禁止外界一切設(shè)備干擾檢測設(shè)備，在固定的時間間隔里記錄控制效果。

在測試過程中，溫度控制效果和濕度控制效果情況如下：

分析圖7可知，在60 s的控制時間內(nèi)，使用傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)控制的溫度和濕度很難達到適合飼料配方的溫度和濕度。當(dāng)控制時間為10 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為7.13 ℃，濕度為0.12%RH；當(dāng)控制時間為20 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為1.28 ℃，濕度為78.54%RH；當(dāng)控制時間為30 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為3.48 ℃，濕度為7.44%RH；當(dāng)控制時間為40 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為14.21 ℃，濕度為5.63%RH；當(dāng)控制時間為50 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為2.71 ℃，濕度為21.33%RH；當(dāng)控制時間為60 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為4.98 ℃，濕度為0.05%RH?？刂七^程中，飼料配方所處環(huán)境的溫度值和濕度值波動非常大，因此傳統(tǒng)控制系統(tǒng)十分不適合飼料配方的存儲和生產(chǎn)。

圖7 傳統(tǒng)系統(tǒng)溫濕度度控制效果實驗圖

圖8 本文系統(tǒng)溫濕度控制效果實驗圖

觀察圖8可知，在60 s的控制時間內(nèi)，使用本文研究的基于CPLD設(shè)置的溫濕度控制系統(tǒng)能夠?qū)暳吓浞剿幁h(huán)境的溫度和濕度達到標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)控制時間為10 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為11.2 ℃，濕度為9.4%RH；當(dāng)控制時間為20 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為7.51 ℃，濕度為14.8%RH；當(dāng)控制時間為30 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為4.44 ℃，濕度為14.72%RH；當(dāng)控制時間為40 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為7.51 ℃，濕度為10.23%RH；當(dāng)控制時間為50 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為5.32 ℃，濕度為13.54%RH；當(dāng)控制時間為60 s時，飼料配方所處環(huán)境溫度為7.93 ℃，濕度為12.17%RH。控制過程中，飼料配方所處環(huán)境的溫度值和濕度值波動極小。

綜上可知，使用本文基于CPLD芯片研究的溫濕度控制系統(tǒng)取得的控制效果要遠遠好于傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)取得的控制效果。在相同的控制時間內(nèi)，傳統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的溫度和濕度與標(biāo)準(zhǔn)值相差甚遠，而且十分不穩(wěn)定，飼料配方在這種環(huán)境下很難批量生產(chǎn)和長時間存儲。本文研究的溫濕度控制系統(tǒng)具有很強的控制能力，可以在短時間內(nèi)就將環(huán)境溫度和濕度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值附近，并且不斷調(diào)節(jié)，確保飼料配方能夠在一個十分好的環(huán)境下生產(chǎn)和存儲。

4 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)在控制飼料配方環(huán)境溫度濕度時，需要大量布線，所以維護起來十分困難。本文引用CPLD芯片設(shè)置了一種新的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和控制節(jié)點連接到一起，確保能夠?qū)崟r監(jiān)控飼料配方所處環(huán)境的溫度和濕度，并且將得到的數(shù)據(jù)遠程傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，從而達到實時控制溫度、濕度的目的。該系統(tǒng)操作簡單，占地面積小，具有很強的應(yīng)用性。

雖然基于CPLD芯片建立的控制系統(tǒng)具備上述基本功能，但是未來仍然需要針對如下幾方面深入研究：(1)終端設(shè)備所采用的網(wǎng)絡(luò)雖然簡單，但是安全性不夠，未來可以建立更加安全的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)，并且可以增設(shè)路由器，擴大信息的傳輸距離；(2)本文設(shè)計的系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)僅為溫度和濕度，未來可以加入其它參數(shù)，如CO2量、是否出現(xiàn)霉變等，使系統(tǒng)的功能更加豐富；(3)本文系統(tǒng)缺少報警裝置，未來需要在設(shè)計中引入報警裝置，使系統(tǒng)更加完善。