基于STC單片機和SHTl5溫濕度傳感器實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1 引言

環(huán)境溫度、濕度、光照等參數(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究中是一種十分重要的數(shù)據(jù)，特別是在糧庫、溫室、大棚等環(huán)境中溫度、濕度、光照的測量和控制更為重要。傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的溫度、濕度、光照監(jiān)測系統(tǒng)需要花費大量的人力物力鋪設線路，施工量大，安裝時間長，因此基于無線傳輸技術的環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行。

溫室具有如下特點：非線性、分布不均勻性、時變性、控制時延性、多變量耦合性等。由于作物本身生長活動使得溫室內(nèi)部的環(huán)境處于熱平衡混沌狀態(tài)，因此不能按照傳統(tǒng)方法對其建模。執(zhí)行機構的動作也不僅僅影響某一個因子，可能對溫室的溫度和濕度同時產(chǎn)生影響?？傊瑴厥覝囟群蜐穸冗@兩個參數(shù)存在較強耦合性，溫度和濕度的變化會相互影響，它們和溫室環(huán)境控制的其他因子一起構成了一個包含多方面內(nèi)容的復雜對象，對其實現(xiàn)精確控制有一定難度，需要系統(tǒng)多方面的有機配合。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)運用STC單片機作為控制器件來采集溫度、濕度和光照信息。將采集到的數(shù)據(jù)送顯示電路顯示，同時與設定的數(shù)據(jù)進行比較，若超出設定的范圍，則進行聲光報警（設定值可以從鍵盤電路輸入），而且這些數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊送到下位PC機中，下位機利用LabVIEW軟件將各種信息以網(wǎng)頁的形式發(fā)布到 Internet上，上位機只要輸入下位機發(fā)布時網(wǎng)址就可以監(jiān)測，而且還可以通過界面進行實時的控制，以致能夠?qū)崿F(xiàn)管理的完全智能化。圖1給出了無線網(wǎng)絡中的2個節(jié)點的實現(xiàn)框圖，在這個基礎上給單片機編址可以擴展多個節(jié)點，實現(xiàn)多機通訊，從而實現(xiàn)大面積的覆蓋網(wǎng)絡。

3 硬件部分

3．1 溫度和濕度采集電路

溫濕度傳感器采用Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器SHTl5。該器件主要特點如下：高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D 轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高；測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置 A／D轉(zhuǎn)換器（分辨率為8～12位，可以通過對芯片內(nèi)部寄存器編程來選擇）；測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值；封裝尺寸超小，測量和通信結束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式；高可靠性，采用CMOSens工藝，測量時可將感測頭完全浸于水中。該器件與控制器的典型接法如圖2 所示。

3．2 光照采集電路

光照的采集利用光敏電阻和固定電阻分壓得到直流電壓，將其送入STC單片機自帶的A／D輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓范圍為4～5 V，3～4 V，2～3 V，1～2 V，0～1 V，正好對應光照的5個等級：強、較強、中等、較弱和無光。光敏電阻選用GL3516，其最大直流電壓為100 V；最大功耗為50 mV；可以在-30～+70℃環(huán)境中正常工作；亮電阻在5～10 kΩ范圍內(nèi)，暗電阻在O．6 MΩ左右；響應時間為30 ms，由上述參數(shù)可以看出完全滿足要求。

3．3 無線模塊

該設計中選用KYL-1020U無線數(shù)傳模塊，其具有載波頻率為433 MHz，450 MHz，470 MHz，868 MHz，915 MHz等ISM頻點；具有RS 232，TTL，RS 485等通訊接口，這里選用。RS 232接口；8個通訊信道，收發(fā)一體，半雙工工作模式；低功耗，并具有休眠功能；工業(yè)級工作溫度為-35～+75℃；天線阻抗為50 Ω；符合EN 300220 and ARIB STD-T67標準。DC 5 V電源供電（3～5．5 V均能正常工作）；輸出功率小于10 mW；接收電流小于20 mA（TTL接口）；傳輸距離可以達到600 m。模塊接口定義如表1所示。

4 軟件部分

4．1 單片機軟件設計

STC單片機C51，運用KEIL軟件進行程序的編寫。單片機主要完成數(shù)據(jù)的采集，然后顯示，監(jiān)控，將數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給下位機PC機。A／D轉(zhuǎn)換的子程序如下：

4．2 控制算法設計

對溫室環(huán)境中溫度參數(shù)、濕度參數(shù)和光照的控制的主要思路是將傳感器采集到的溫度值、濕度值和光照信息與系統(tǒng)設定值進行比較計算，求得溫度偏差T和濕度偏差 H，根據(jù)溫度偏差T和濕度偏差H以及溫度和濕度的耦合關系制定控制規(guī)則，由系統(tǒng)經(jīng)過運算決策，得到系統(tǒng)控制量溫度補償值TB和濕度補償值HB。如果實時溫度超過設定最佳溫度，最佳濕度的允許范圍，此時聲光報警，告知操作人員要進行適當?shù)娜斯じ深A來消除報警。系統(tǒng)控制要求和目標：

（1）系統(tǒng)共有3個參數(shù)，即溫度、濕度、光照。

（2）自動控制溫室內(nèi)的溫度和濕度，溫度的控制誤差不大于±0．5℃。

（3）系統(tǒng)具有自動控制，控制室遙控兩種工作方式。

（4）系統(tǒng)具有報警以及參數(shù)設置，自主訓練和學習功能。

（5）系統(tǒng)具有表格、圖形、曲線等顯示和存儲功能。

通過傳感器可以獲得大量的有關溫度、濕度、光強度和時間的樣本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與時間并不是線性關系?；谶@些數(shù)據(jù)，如果能夠找到運用某種算法使溫室溫度逼近于給定的溫度，從而使溫室的環(huán)境保持在適宜作物生長的狀態(tài)之下。

對溫度控制運用加熱器，濕度采用通風和噴灌裝置，光照主要運用遮陽幕。早期溫室的控制多采用常規(guī)的PI或PID來控制，這種控制方法簡單，易于實現(xiàn)。

隨著對非線性、時變性、不確定性的難以建立數(shù)學模型的控制對象，就難以實現(xiàn)。隨著智能控制的發(fā)展，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術的出現(xiàn)，給這類難以解決的問題開辟了一條新的途徑，它能夠處理好時變性、大滯后和耦合性等的復雜系統(tǒng)控制問題。

BP網(wǎng)絡訓練過程及算法流程如圖3所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡的一個突出特點就是自學習功能，設微機的基準信號和實際信號的誤差為e（k），則：

神經(jīng)網(wǎng)絡通過自己的學習功能，即相應的算法使e逐漸減小，最后達到理想的值。這里的控制對象應為溫室里的環(huán)境因子。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模型在收斂速度和收斂精度方面遠遠超過傳統(tǒng)PID或PD控制器。與傳統(tǒng)的控制方法相比超調(diào)量和控制時間都大大減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯增強。

4．3 PC機軟件設計

由于無線模塊選用的是RS 232接口，因此虛擬儀器中的串口通訊通過VISA實現(xiàn)。VISA實質(zhì)上是I／O接口軟件庫及其規(guī)范的總稱。其本身不具備編程能力，它通過調(diào)用低層驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的控制。運用自身帶的網(wǎng)絡發(fā)布功能就可以完成網(wǎng)頁的發(fā)布，通過參數(shù)的設置就可以讓遠程的計算機來訪問，不需要再做成網(wǎng)頁的形式進行發(fā)布。發(fā)布后的控制面板如圖4所示。

5 結語

利用單片機采集溫室、糧倉、大棚中的環(huán)境因素，并顯示和控制環(huán)境因素的變化，同時以無線方式將實時信息上傳到下位PC機；下位機對采集的數(shù)據(jù)進行適當處理，采用可視化編程語言LabVIEW將各種信息以界面的形式在終端上顯示，還可以利用軟件自身的網(wǎng)絡發(fā)布功能將界面以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，遠程的PC機只要得到操作許可就可以操作整個界面，這樣工作人員不必到現(xiàn)場就可以解決運行過程中出現(xiàn)的錯誤，從而實現(xiàn)管理的自動化、智能化。測控方式的網(wǎng)絡化是未來測控技術發(fā)展的必然趨勢，能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡帶來的種種好處，實現(xiàn)各種資源有效合理的配置，同時還可以實現(xiàn)真正意義上的VI。

責任編輯：gt