無線環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘 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(shè)線路，施工量大、安裝時間長。介紹一種無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度、濕度等因素的監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時多點地監(jiān)控溫室或其他對環(huán)境參數(shù)要求嚴(yán)格的場所。管理者可以在控制室隨時了解現(xiàn)場的信息，當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時立即進(jìn)行聲光報警，并在監(jiān)控主機上顯示發(fā)生異常情況的地點。運用虛擬儀器軟件可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，工作人員不需要到現(xiàn)場就可以馬上采取措施，從而使糧庫、溫室等管理實現(xiàn)自動化、智能化。

關(guān)鍵詞:無線收發(fā)模塊; 單片機; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 虛擬儀器

中圖分類號:TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0075-03

Long-distance Wireless Monitoring System forEnvironment

YI Wen-yu1， CHEN Wei2

(1. Changzhou Institute of High Industry Technology， Changzhou 213164， China;

2. College of Information and Science， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China)

Abstract: Since the traditional

temperature， humidity and light monitoring systems based on wired communication systems have to spend a lot of manpower and resources for lineslaying， whose construction content is more and installment time is long，

a wireless network monitoring system for the ambient temperature， humidity and other factors is presented. With the real-time multi-point monitoring for greenhouses and other places which require the environmental parameters， managers can comprehend the imformation of the scene in the control room. When the parameter exceeds a set value， acoustooptic alarmis occured immediately， and the monitor shows the location of an irregularity place. With the virtual instrument software it can realize the remote control.

Keywords: wireless transceiver module; MCU; neural network; virtual instrument

0 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(xué)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(shè)線路，施工量大，安裝時間長，因此基于無線傳輸技術(shù)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[1]。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(gòu)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。總之，溫室溫度和濕度這兩個參數(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(gòu)成了一個包含多方面內(nèi)容的復(fù)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]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超出設(shè)定的范圍，則進(jìn)行聲光報警(設(shè)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(jìn)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(luò)中的2個節(jié)點的實現(xiàn)框圖，在這個基礎(chǔ)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(luò)。

2 硬件部分

2.1 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SHT15。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(jié)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[3]。該器件與控制器的典型接法如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

圖2 溫濕度傳感器SHT15與MCU的典型接法

2.2 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(jìn)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(yīng)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0.6 MΩ左右;響應(yīng)時間為30 ms，由上述參數(shù)可以看出完全滿足要求。

2.3 無線模塊

該設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(dá)到600 m。模塊接口定義如表1所示[4]。

表1 KYL-1020U接口定義

管腳接口名稱功能描述電平備注

1GND電源地

2VCC電源3～5 V

3RXD/TTL數(shù)據(jù)接收(TTL)TTL

4TXD/TTL數(shù)據(jù)發(fā)送(TTL)TTL

5DGND信號地

6A(TXD)RS 485 A或RS 232-TXD

7B(RXD)RS 485 B或RS 232-RXD

8SLEEP休眠控制TTL低電平有效

9TEST內(nèi)部測試

3 軟件部分

3.1 單片機軟件設(shè)計

STC單片機C51，運用KEIL軟件進(jìn)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:

int get_AD_result(char channel)

{ int finishflag=0; //存儲A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志

ADC_DATA=0;

ADC_CONTR=channel;//選擇A/D當(dāng)前通道

Delay(1);//使輸入電壓穩(wěn)定

ADC_CONTR|=0x08;//令A(yù)D_START=1，啟動A/D

while(finishflag==0)//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

finishflag=(ADC_CONTR0x10); //ADC_FLAG==1;測試轉(zhuǎn)換是否結(jié)束

ADC_CONTR=0xF7;//AD_START==0;關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換

return(ADC_DATA);//返回轉(zhuǎn)換結(jié)果

}

3.2 控制算法設(shè)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(shè)定值進(jìn)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(guān)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(shè)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(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)來消除報警。系統(tǒng)控制要求和目標(biāo):

(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(shè)置，自主訓(xùn)練和學(xué)習(xí)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(guān)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(guān)系[5]。基于這些數(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(fēng)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(xué)模型的控制對象，就難以實現(xiàn)[6-7]。隨著智能控制的發(fā)展，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)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(fù)雜系統(tǒng)控制問題。

BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程及算法流程如圖3所示。

圖3 BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程及算法流程

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個突出特點就是自學(xué)習(xí)功能，設(shè)微機的基準(zhǔn)信號和實際信號的誤差為e(k)，則:

e(k)=r(k)-y(k)(1)

Δe(k)= e(k)-e(k-1)(2)

Δ2e(k)= e(k)-2e(k-1)+e(k-2)(3)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過自己的學(xué)習(xí)功能，即相應(yīng)的算法使e逐漸減小，最后達(dá)到理想的值[8]。這里的控制對象應(yīng)為溫室里的環(huán)境因子。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在收斂速度和收斂精度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。

3.3 PC機軟件設(shè)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[9]。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(luò)發(fā)布功能就可以完成網(wǎng)頁的發(fā)布，通過參數(shù)的設(shè)置就可以讓遠(yuǎn)程的計算機來訪問，不需要再做成網(wǎng)頁的形式進(jìn)行發(fā)布[10]。發(fā)布后的控制面板如圖4所示。

圖4 發(fā)布的控制面板網(wǎng)頁

4 結(jié) 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(jìn)行適當(dāng)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(luò)發(fā)布功能將界面以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，遠(yuǎn)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(luò)化是未來測控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，能夠充分利用現(xiàn)有資源和網(wǎng)絡(luò)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。

參考文獻(xiàn)

[1]黃曉因.溫濕度分時段控制研究[J].自控與測量，2003(4):34-36.

[2]高繼森.溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].寧夏大學(xué)學(xué)報，1995(3):64-65.

[3]Sensirion. Sensirion AG SHT15.PDF[M]. [S.l.]: Sensirion. 2005.

[4]深圳市科易連通訊設(shè)備有限公司.KYL-1020U微功率無線數(shù)傳模塊[M].深圳:深圳科易連通訊設(shè)備有限公司，2006.

[5]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社，1999.

[6]陳海強.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用和其推廣能力的分析[J].德州學(xué)院學(xué)報，2005，21(4):78-82.

[7]王旭.人工神經(jīng)網(wǎng)路原理與應(yīng)用[M].沈陽:東北大學(xué)出版社，2006.

[8]鄭明山，湯玉珺.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器算法的研究[J].中國水運，2007(3):114-115.

[9]鄧焱，王磊.LabVIEW 7.1測試技術(shù)與儀器應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[10]National Instruments Corporation. LabVIEW express user manual[M]. [S.l.]: National Instruments Corporation， 2003.