基于LabWindows/CVI和GSM無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

溫室是利用可調(diào)控的技術(shù)手段，在不適宜露地植物生長的季節(jié)用來栽培植物的設(shè)施。它可改變植物生長的外部環(huán)境，為植物創(chuàng)造最佳條件，從而達(dá)到高效、高產(chǎn)的目的。20世紀(jì)90年代，大規(guī)模的溫室開始引進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并逐漸成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。目前，我國溫室的建造面積已超過120萬公頃，躍居世界第一。但是我國商品化溫室普及率很低，60%以上為簡易日光溫室，溫室環(huán)境參數(shù)主要靠人工檢測。人工檢測溫室環(huán)境工作量大，效率低，阻礙了溫室的規(guī)?；l(fā)展。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，溫室環(huán)境的自動(dòng)控制成為溫室建設(shè)的目標(biāo)，溫室管理智能化成為溫室發(fā)展的方向。溫室環(huán)境的檢測是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和智能化的基礎(chǔ)。世界發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、英國、日本等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，智能化溫室測控系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用，溫室內(nèi)溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)也在溫室的自動(dòng)管理控制中得到了廣泛應(yīng)用。我國的溫室環(huán)境檢測起步較晚，但也產(chǎn)生了一批有價(jià)值的研究成果，華中科技大學(xué)開發(fā)了基于PLC 的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)，浙江大學(xué)開發(fā)出掌上型溫室環(huán)境測控系統(tǒng)，延安大學(xué)研制了基于單片機(jī)的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端。但由于成本和技術(shù)普及等方面的限制，溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用受到嚴(yán)重制約，限制了溫室環(huán)境自動(dòng)檢測系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，因此開發(fā)一套適合我國國情的低成本，易用、易安裝的無線溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)對于溫室環(huán)境的自動(dòng)化控制和智能化管理具有重要意義。

2 系統(tǒng)組成

本文介紹的溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、無線傳輸模塊和監(jiān)控中心三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端主要由單片機(jī)系統(tǒng)和各參數(shù)檢測傳感器組成，實(shí)現(xiàn)溫室溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度的前端采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及臨時(shí)存儲；采集的數(shù)據(jù)定時(shí)通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心為安裝有筆者開發(fā)的溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件的普通計(jì)算機(jī)， 負(fù)責(zé)對溫室環(huán)境參數(shù)的處理、分析、顯示以及儲存，如果溫室環(huán)境參數(shù)變化異常，監(jiān)控中心將通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息的模式發(fā)送到溫室相關(guān)管理人員的手機(jī)中進(jìn)行及時(shí)提醒，同時(shí)，監(jiān)控中心還可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送指令，對傳感器參數(shù)、無線傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改，查看網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的任何溫室的環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。

圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

3 數(shù)據(jù)采集終端

3.1 終端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端的核心選用AT89C51單片機(jī)。單片機(jī)與PLC和ARM系統(tǒng)相比，具有體積小、電路簡單、技術(shù)成熟、功耗低等優(yōu)勢。因?yàn)闇厥噎h(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)量小，變化緩慢，速度和精度要求不高，單片機(jī)的性能完全滿足具體的使用要求，并且可以大大降低系統(tǒng)成本。AT89C51單片機(jī)是一種高性能8位單片機(jī)，采用了CMOS工藝和NURAM技術(shù)，輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2. 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 傳感器選用

終端檢測溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，選用傳感器類型及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1.傳感器選型參數(shù)表

3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片

A/D轉(zhuǎn)換芯片選用MAX186，它是一種串行輸入的模數(shù)變換器，轉(zhuǎn)換精度為12位，該芯片變換速率高、功耗低、增益調(diào)節(jié)簡單，利用MAX186的4個(gè)模擬信號通道采集溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度。

3.1.3 時(shí)鐘芯片

采集的時(shí)間間隔由時(shí)鐘芯片控制，默認(rèn)每小時(shí)采集并發(fā)送一次。時(shí)鐘芯片選用DS12887型號芯片，它把時(shí)鐘所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路集于芯片內(nèi)部，無需任何外圍電路，芯片內(nèi)部有114個(gè)字節(jié)為通用RAM且具有掉電保護(hù)功能，掉電情況下，數(shù)據(jù)不會丟失。

3.1.4 看門狗芯片

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端長期在溫室內(nèi)工作，為了防止程序跑飛或進(jìn)入死循環(huán)，選用X25045看門狗芯片。X25045是標(biāo)準(zhǔn)化8腳集成電路，它將EEPROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個(gè)芯片之內(nèi)，大大簡化了硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.1.5 電平轉(zhuǎn)換芯片

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)控中心均通過RS-232接口與無線傳輸模塊連接。單片機(jī)使用TTL電平，即0到+5v的電壓，而RS-232信號電平為-10V到10V的電壓。兩者進(jìn)行連接時(shí)，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，用于TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換。

3.2 終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后初始化各個(gè)模塊，如設(shè)置串口波特率、初始時(shí)鐘芯片時(shí)間等，然后等待中斷。數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)有兩種工作模式，一種是定時(shí)發(fā)送，每個(gè)響應(yīng)時(shí)刻采集并發(fā)送一次；另一種工作模式是根據(jù)控制指令隨機(jī)采集溫室環(huán)境參數(shù)。當(dāng)控制中心計(jì)算機(jī)通過GSM網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送采集數(shù)據(jù)，修改參數(shù)等控制指令時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端首先根據(jù)規(guī)定的控制指令協(xié)議判斷真?zhèn)?，若真則完成相應(yīng)動(dòng)作并發(fā)送確認(rèn)短信，否則不做任何響應(yīng)。

圖3. 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 GSM網(wǎng)絡(luò)無線傳輸模塊

系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的無線傳輸。GSM （global system for mobile communications） 是根據(jù)GSM技術(shù)規(guī)范建造的國際無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，目前是我國覆蓋范圍最大、市場占有量最大的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。短消息服務(wù)（SMS）是GSM技術(shù)的一項(xiàng)內(nèi)容，它每次可傳輸140個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)的信令信道傳送。短消息業(yè)務(wù)分為點(diǎn)對點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)和小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)。點(diǎn)對點(diǎn)的短消息業(yè)務(wù)通過短消息業(yè)務(wù)中心（MSC）來完成存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能，當(dāng)接收終端不在線時(shí)，GSM系統(tǒng)會在用戶數(shù)據(jù)庫中設(shè)置等待標(biāo)志，待接收終端上線后，GSM系統(tǒng)會及時(shí)通知短消息中心重新發(fā)送短消息。短消息業(yè)務(wù)依附于GSM網(wǎng)絡(luò)之上，在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)均可傳送短消息，它是一種確認(rèn)型業(yè)務(wù)，具有雙向?qū)ず舻奶攸c(diǎn)，確保消息可靠接收，利用點(diǎn)對點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)可方便可靠地實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

系統(tǒng)選用集成TC35i芯片的GSM模塊，基于以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：所有與AT 響應(yīng)有關(guān)的操作都是由GSM模塊在其內(nèi)部完成；程序開放，支持用戶方便進(jìn)行二次開發(fā)；具有格式及透明傳輸兩種傳輸格式；無須驅(qū)動(dòng)程序；設(shè)置四字節(jié)的密碼，可使接收終端免收廣告、通知等數(shù)據(jù)干擾。

檢測過程中，數(shù)據(jù)采集終端連接的GSM模塊需要向監(jiān)控中心連接的GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心GSM模塊的目標(biāo)地址需要不斷變化，數(shù)據(jù)采集終端GSM模塊的目標(biāo)地址是固定不變的。因此監(jiān)控中心GSM模塊為非透明傳輸，數(shù)據(jù)采集終端GSM模塊工作在透明方式下。非透明傳輸時(shí)發(fā)送和接收內(nèi)容格式如表2所示。透明傳輸方式下，發(fā)送和接收的內(nèi)容無格式要求，所發(fā)即所收。兩種方式混用時(shí)，非透明傳輸?shù)腉SM模塊按照格式發(fā)送或接收信息，透明傳輸?shù)腉SM模塊只發(fā)送或接收有格式傳輸?shù)摹皵?shù)據(jù)”部分內(nèi)容。

表2.GSM模塊非透明傳輸數(shù)據(jù)格式

5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件具有參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存與查詢、溫室環(huán)境數(shù)據(jù)分析、生成報(bào)表與打印，控制指令，短信報(bào)警等功能模塊。檢測開始前，用戶可通過參數(shù)設(shè)置模塊對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，對采樣頻率、串口波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；檢測過程中，溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件讀取GSM模塊收到的數(shù)據(jù)，并以數(shù)字儀表的形式顯示溫室的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、歷史數(shù)據(jù)的查詢、分析繪制溫室環(huán)境變化曲線以及生成WORD報(bào)表、打印等功能；控制指令模塊包含開始采集、停止采集、更改設(shè)置等指令，可在工作過程中對數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行有效控制；溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)對溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析判斷，如有異常變化將及時(shí)向相應(yīng)溫室管理員手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。

溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)軟件的編寫采用美國NI公司開發(fā)的基于C語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabWindows/CVI，它提供了豐富的串口通信編程函數(shù)，并且能很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、存儲等功能。系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4.溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)主界面

6 結(jié)論

本文集成虛擬儀器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和GSM無線通訊技術(shù)開發(fā)了一套溫室環(huán)境無線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測和無線傳輸，監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程檢測溫室環(huán)境，并可對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行深入分析研究，還可對異常情況短信報(bào)警。系統(tǒng)成本低，安裝改造方便，可靠性高，適合大范圍推廣。通過傳感器的擴(kuò)展還可對更多參數(shù)進(jìn)行檢測。

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