【導(dǎo)讀】進(jìn)行環(huán)境測控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化，科學(xué)化的基本保證，高產(chǎn)的栽培目的。目前，國內(nèi)自行設(shè)計(jì)，自行建造的智能生物大棚，大部分測控水平。較低，現(xiàn)代化管理水平不高，不能夠滿足作物全年高產(chǎn)栽培的要求。變傳統(tǒng)的測控方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)測控，建立符合我國國情的智能生物大棚，對加快我國溫室生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平及提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益均具有重要意義。度，溫度，濕度等的測控。和控制系統(tǒng)相結(jié)合的測控方案。其中，多傳感器的管理和融合系統(tǒng)更能完善、控制系統(tǒng)通過檢測的環(huán)境參數(shù)來改變環(huán)境參數(shù)，使作物生長在。最適宜的環(huán)境條件下。整個系統(tǒng)效率高且容易擴(kuò)展，通用性和適用性較強(qiáng)。

　　

【正文】 機(jī)發(fā) 送報(bào)警短信 ，提醒用戶生物大棚的環(huán)境參數(shù)處在不適合生物生長的環(huán)境下，需要用戶調(diào)整生物大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù) 。 (3) 信息顯示：通過終端的 LCD 屏顯示溫度、 CO2 濃度，空氣的濕度等信息 ，從而為當(dāng)生物大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)不是最適合作物生長的環(huán)境時，將終端的 LCD 顯示屏上面的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端根據(jù)現(xiàn)場需要安裝在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器和濕度傳感器等一系列傳感器實(shí)時采集 生物 大棚的溫度 、 濕度 和 CO2 濃度 等數(shù)據(jù)。 ARM嵌入式系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷、處理。當(dāng)數(shù)據(jù)超過或者低于規(guī)定的范圍， ARM 嵌入式系統(tǒng)將組織成自定 義的通信協(xié)議格式，進(jìn)一步打包成數(shù)據(jù)包，并通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的通信模塊，利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)將此數(shù)據(jù)包發(fā)送到手機(jī)用戶。 24 第 4 章 概要設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是監(jiān)測終端的設(shè)計(jì)。監(jiān)測終端主要由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理 模塊和 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸 模塊共同組成，在確定好方案后，對主要設(shè)備及元器件進(jìn)行選擇，其中包括： ARM 芯片， GPRS 模塊， 溫度濕度 CO2濃度等的 采集元件。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的溫度 濕度 CO2濃度的 數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸功能，以下對各個硬件部分詳細(xì)介紹。 傳感器設(shè)計(jì) 要在 ARM 處理器 上實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚的數(shù)據(jù)采集，所用到的幾個傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器。在這個地方的設(shè)計(jì)中，既要考慮傳感器的成本，力求做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又要考慮傳感器測量的準(zhǔn)確性，以期望達(dá)到傳感器數(shù)據(jù)的精確測量。 濕度傳感器設(shè)計(jì) (1) 濕度檢測采用 HIH36lO 濕度傳感器， HIH36lO 是美國 Honeywell 公司生產(chǎn)的，它對濕度的測量值是一種相對測量值，這種傳感器有著很多的優(yōu)點(diǎn)，首先它的響應(yīng)時間快，反應(yīng)靈敏，其次它的測量精度高可以精確到 3%以內(nèi)。在大棚作業(yè)生產(chǎn)中，由于濕度對人 體的特殊影響，在上面的需求中也提到了，必須有一種精確靈敏的濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)對塑料大棚內(nèi)濕度值的檢測。 (2) 塑料大棚的監(jiān)控系統(tǒng)要求功耗比較低，這也是大部分嵌入式系統(tǒng)的共同要求， HIH3610 采用了 200uA 的電流設(shè)計(jì)，這種電流非常適合嵌入式所要求的低功耗的系統(tǒng)需求。 (3) 塑料大棚內(nèi)部溫度濕度多比較高， C02 濃度的不穩(wěn)定變化導(dǎo)致空氣的酸性成分增加，久而久之，就會對濕度采集模塊產(chǎn)生腐蝕性作用， HIH3610具有抗化學(xué)腐蝕的性能和互換性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的穩(wěn)定性，從而適合在腐蝕性強(qiáng)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)濕度檢測的優(yōu)良 勝能。 (4) DS2438 是 DallaS 公司出產(chǎn)的單總線器件，它具有 A/D 功能，在這里 HIH36lO 必須和 DS2438 結(jié)合在一起應(yīng)用。 HIH3610 的傳感頭是電容式的， 25 屬于熱固聚醋電容，在 HIH361O 的內(nèi)部電路集成了信號處理功能， HIH3610可以將相對的濕度值轉(zhuǎn)化成電容值，電路板上有線性電壓轉(zhuǎn)換器，于是HIH3610 的電容值可以轉(zhuǎn)化成線性電壓輸出出來，所以，這種輸出時模擬信號，不能直接送到單片機(jī)處理，這就是為什么必須要用到 DS2438 來實(shí)現(xiàn)模擬信號想數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，兩者的協(xié)同工作，構(gòu)成了數(shù)字濕度即時采 集的傳感器模塊。 (5) 塑料大棚內(nèi)的濕度檢測的刷新值不必要太小，以免影響精度，但是刷新頻率也不能太低，因?yàn)楫吘瓜到y(tǒng)要測量的是蔬菜大棚內(nèi)的即時濕度，HIH3610 的刷新頻率為巧秒，這個值剛好適合塑料大棚內(nèi)濕度采集刷新時間。 (6) 由于塑料蔬菜大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)屬于特殊壞境下的溫濕度采集，這就要求采集系統(tǒng)對溫度的變化不能太敏感，塑料大棚內(nèi)溫度較高，同時在植物的光合作用和呼吸作用下棚內(nèi)的氣壓較大，這就需要系統(tǒng)的濕度檢測模塊需要有較高的溫度和氣壓容忍性，這一點(diǎn) HIH3610 也滿足要求，其工作范圍是 40～ 85 攝氏 度，氣壓特性為 0~100%RH，使得這種傳感器非常適合于蔬菜大棚的濕度采集。 CO2傳感器設(shè)計(jì) (1) 蔬菜大棚的 CO2檢測比較重要，因?yàn)樗苯佑绊懼G色植物的生長和發(fā)育，在選擇采集模塊的時候，有必要選擇知名度大的、技術(shù)成熟的 CO2傳感器，在這里，筆者的二氧化碳傳感器采用 CDM4161 二氧化碳傳感器，這種傳感器是日本費(fèi)加羅公司出產(chǎn)的，值得一提的是 :日本費(fèi)加羅公司在世界上最早實(shí)現(xiàn)了本導(dǎo)體氣體傳感器，當(dāng)時的第一框傳感器是 TGS 系列的傳感器，而這里的 CDM4161 是費(fèi)加羅公司生產(chǎn)的又一種 CO2氣體濃度 傳感器，這種傳感器技術(shù)成熟，成本低廉，比較適合于蔬菜大棚內(nèi)部二氧化碳濃度的檢測。 (2) 蔬菜大棚的二氧化碳測量有著它自己的特點(diǎn)，在蔬菜大棚內(nèi)，由于有塑料薄膜的覆蓋，使得大棚內(nèi)的光照跟戶外相比多有欠缺，而傳統(tǒng)上的二氧化碳檢測，常常用到的是非色散紅外吸收法，這種方法利用的是 CO2吸收 的紅外線彼長的特性，根據(jù)朗伯比爾定律可以很精確的測量空氣中CO2的濃度，但這種方法有一種的弊端，如果 CO2濃度過大時，需要較長的光線通過空氣，這個長度通常稱為氣體長度，這樣的目的就是為了使光線取 26 得良好的吸收，并且，這種 方法需要非常精密的光學(xué)器件和設(shè)備，價格昂貴，這就不符合農(nóng)民朋友節(jié)約成本的需求。 CDM4161 型 CO2 濃度測試感應(yīng)模塊則是不依賴于光線的長度和精密光學(xué)儀器的限制，最適合于蔬菜大棚的 CO2濃度檢測。 (3) 受塑料大棚內(nèi)溫度和濕度的影響，大棚內(nèi)的濕度增加，空氣的酸性增強(qiáng)，這對傳感器的介質(zhì)也是一種考驗(yàn)，傳統(tǒng)上的氣體傳感器使用的是固態(tài)或者液態(tài)傳感器，受大氣酸性影響比較大，這種傳感器比較適合于戶外二氧化碳的檢測，但是不適合于塑料大棚內(nèi) CO2的檢測，這里的 CDM4161 是一種半導(dǎo)體材料做介質(zhì)的傳感器，將空氣中的含有的特 定氣體轉(zhuǎn)化成適當(dāng)?shù)碾娦盘枺雽?dǎo)體的特性使得這種介質(zhì)的傳感器更適合于大棚內(nèi) CO2濃度的檢測和控制。 (4) 塑料大棚是一種復(fù)雜的環(huán)境，由于棚內(nèi)的溫度濕度較高，容易產(chǎn)生甲烷等氣體，在本文緒論部分介紹 CO2的產(chǎn)生時也介紹到了發(fā)酵和燒麥稈的方法，不完全燃燒容易產(chǎn)生一氧化碳，這就要求系統(tǒng)的 CO2檢測裝置需要較高的選擇性，必須對甲烷和一氧化碳不敏感的傳感器才可以勝任，這恰恰是CDM4161 的優(yōu)勢所在， CDM4161 對空氣中 CO2 濃度的測量范圍是 400、600ppm，能很好的適應(yīng)大棚環(huán)境下的 CO2檢測。 (5) 任何一個 嵌入式系統(tǒng)都有反應(yīng)時間和準(zhǔn)確性的要求，這里的大棚數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)也不例外，可以說，這里的 CDM4161 的優(yōu)點(diǎn)之一就是靈敏度高，響應(yīng)速度快， CDM4161 內(nèi)部集成電路可以對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和自動校準(zhǔn)，這樣使得傳感器輸出的電平值跟空氣中二氧化碳的濃度值保持良好的線性關(guān)系。 溫度傳感器設(shè)計(jì) (l) 市場上流行的溫度傳感器比較多，在這里優(yōu)先選擇的是 DS18bZO 溫度傳感器，它是 Dallas 公司出產(chǎn)的單總線器件，跟上面的 DS2438 一樣，它同樣具有 A/D 轉(zhuǎn)換的功能。因其具有許多優(yōu)良的特性使得它占有了 相當(dāng)大的市場份額。 (2) 選用這個傳感器，首先是考慮到了系統(tǒng)的成本問題，這種傳感器的成本每個大約在 10 元左右，即使是一個大棚級聯(lián)巧個，成本也不算太高。 (3) 從塑料大棚的棚內(nèi)環(huán)境考慮，跟上面二氧化碳傳感器的情況一樣， 27 也需要一種抗腐蝕和抗酸性，適合于潮濕環(huán)境的傳感介質(zhì)， DS18bZO 的傳感介質(zhì)既不是固體也不是液體，它的測溫原理是通過兩個震蕩電路實(shí)現(xiàn)的，其中一個石英震蕩時收溫度的影響比較下，而另外一個則比較大，正是利用兩者的對照而產(chǎn)生一個溫差的基準(zhǔn)，從而測出溫度。這種傳感機(jī)制更適用于大棚環(huán)境的溫度測量。 (4) 從本監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)制上考慮，為了與上面的需求相適應(yīng)，必須能設(shè)定一個溫度報(bào)警上下限， DS18b20 恰好能滿足這一需求， Ds18b20 允許用戶自設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限，免去了程序員重新實(shí)現(xiàn)這一功能的麻煩。 (5) 塑料大棚內(nèi)溫度變化比較大，作物對溫度的變化比較敏感，這就要求系統(tǒng)的溫度感應(yīng)比較快，溫度測量精度比較高。 DS18bZO 可測量的范圍為5 125 攝氏度，固有測溫分辨率為 攝氏度，完全滿足大棚作物的測溫精度的需要。 (6) 塑料大棚的監(jiān)控系統(tǒng)目前是一個單片機(jī)對應(yīng)一個溫度傳感器，這與大棚內(nèi) 的空間布局有關(guān)系，一個單片機(jī)不僅要連接溫度傳感器，還要連接濕度和二氧化碳傳感器，目的就照顧單片機(jī)區(qū)域內(nèi)的溫濕濃度監(jiān)測。這里選擇DS18b20，是因?yàn)榇朔N傳感器有多點(diǎn)組網(wǎng)特性，可以用多個傳感器并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測，這樣，可以方便以后的擴(kuò)展。 (7) 安全性特性 DS18bZO 還有獨(dú)有的安全保護(hù)特性，即是負(fù)壓特性，電源極性接反時，溫度傳感器雖然不能正常工作，但是由于內(nèi)部的保護(hù)線路，傳感器不會因?yàn)榘l(fā)熱而燒壞。真正做到了安全耐用。 GPRS 模塊 MC39i 是西門子公司最近推出的新一代雙頻 GSM／ GPRS 通訊模塊的無鉛產(chǎn)品，它簡潔的封裝是很多應(yīng)用系統(tǒng)中無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐虢鉀Q方案，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、 SMS 和 FAX 各個方面的應(yīng)用，且功耗低。它為用戶提供了永遠(yuǎn)在線、高速度、更簡單的移動數(shù)據(jù)通信接人手段。 MC39i 具有豐富的 AT 指令，功能強(qiáng)大，操作靈活方便，是繼 GPRS 手機(jī)外有一種非常重要的 GPRS 移動通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。它的出現(xiàn)給 GPRS 的發(fā)展注入了新的活力。 MC39i 具有體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)。 MC39i 的工作電壓為 28 伏 ~，典型電壓為 。最大工作電流為 2安。模塊可以工 作在 EGSM900和 GSMl800 兩個頻段。工作于 EGSM900 時功耗為 2 瓦，工作于 GSMl800時功耗為 1 瓦。利用 AT 指令進(jìn)行控制，支持文本和 PDU 模式的短消息、第三 組的二類傳真。模塊常用的工作模式有省電模式 、 IDLE、 TALK、 數(shù)據(jù)等模式。通過獨(dú)特的 40 腳的連接器 (ZIF)實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中耗用了較長的時間用于開發(fā)軟件，充分發(fā)揮軟件的功能，盡可能完善軟件的功能，相對地簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本，提高了系統(tǒng)的性能。 為了方便移植和維護(hù)系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)采用模 塊化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為三個模塊：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸。 圖 主程序模塊 29 系統(tǒng)上電后，復(fù)位、運(yùn)行 Bootloader、啟動 Linux；接著加載各種接口的驅(qū)動、并完成初始化 (如串口、 GPRS 模塊等 )；定時 (如每五分鐘 ) 啟動溫度，CO2 濃度，濕度數(shù)據(jù)采集，采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并用采集的數(shù)據(jù)和設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如溫度數(shù)據(jù)變化異常，則將溫度 CO2濃度，濕度通過 GPRS DTU傳輸至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心。如果相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常，則繼續(xù)監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)。 圖 主程序流程圖 30 GPRS 與 URAT 通 信 GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service)的簡稱，是一種基于 GSM 系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線 IP 連接。具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。 圖 串口異步通信函數(shù)： int OpenComm(int iCommPort)。 //打開串口設(shè)備文件 ,iCommPort 串口端口號 ,返回句柄 void CloseComm(int hComm)。 //關(guān)閉設(shè)備文件 int SetCommParam(int hComm,int BaudRate,unsigned char ParityBits,int DataBits,int StopBits)。 //參數(shù)設(shè)置 ,包括 :波特率 ,校驗(yàn)位 ,停止位 ,數(shù)據(jù)位 int WriteComm(int hComm,char *pBuff)。 //寫串口 unsigned char *ReadComm(int hComm)。 //以同步方式讀串口 GPRS 模塊，該模塊具有體積小、可靠性高、易用性好、內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議等特點(diǎn)，很適合在無線終端中作為通訊模塊。在圖中微處理器的 URAT 作為數(shù)據(jù)輸出口 ，向 GPRS 輸出不同的數(shù)據(jù)，并通過遠(yuǎn)程無線傳送到用戶的手機(jī)上。 31 圖 GPRS 發(fā)送短信流程圖 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和微機(jī)程序設(shè) 計(jì) 。 32 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 它的主要功能模塊有：采集模塊、控制模塊、通訊模塊。 (1) 采集模塊 采集模塊主要完成對 ADC0809 的通道的控制和轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將結(jié)果暫存人數(shù)據(jù)區(qū)。通過對 AT89S51 定時器 T0 的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)定時，每 15min采集 1 次，用定時器 T ,定時來確定三個參量的采集時間間隔，定為 。溫室內(nèi)布置有溫度、濕 度、土壤水分、光照傳感器、溫度傳感器將采集的信號送到 89℃ 內(nèi)的定時器 T0 的輸入端 , 通過對定時器 T0 的計(jì)數(shù) ,實(shí)現(xiàn)溫度的采集 ； 度、土壤水分、光照傳感器采集的電壓值分別通過校正，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 0ⅴ ~5ⅴ 電壓，送到 ADC0809 的輸入端，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，變換為數(shù)字信號，送到 89℃ 。由于傳感器、 ADC0809 的采集、轉(zhuǎn)換速度快，一分鐘內(nèi)可以采集成千上