蔬菜大棚溫度、濕度傳感器檢測系統的設計

郭玉萍，楊一平，楊福營

GUO Yu-ping, YANG Yi-ping, YANG Fu-ying

（許昌職業技術學院，許昌 461000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，時令蔬菜和反季節蔬菜越來越受到人們的歡迎，而時令蔬菜和反季節蔬菜一般是在大棚中生產的，在大棚蔬菜的生產過程中，蔬菜大棚中溫度和濕度指標始終是蔬菜生長的兩大重要因素，大棚中的溫度和濕度不僅決定蔬菜的生長狀況，而且對病蟲害防治、蔬菜的質量干系重大，因此蔬菜大棚的溫度和濕度檢測系統的設計就顯得尤其重要了。隨著計算機控制技術和通訊技術的發展，對蔬菜大棚的溫度和濕度的檢測、分布式聯片檢測、多點檢測已成為可能。本文通過傳感器技術、短信技術、單片機技術、微機聯網技術的應用，設計了蔬菜大棚溫度、濕度控制網絡，可分布式聯片多個蔬菜大棚溫度、濕度控制或在一個蔬菜大棚內進行溫度、濕度多點控制。

1 系統組成

蔬菜大棚溫度、濕度控制系統由以下網絡組成：

檢測及數據處理網絡：主要由溫度傳感器和濕度傳感器、A/D轉換、單片機等組成，可通過溫度傳感器和濕度傳感對多個蔬菜大棚分布式聯片檢測或一個蔬菜大棚內的多點進行檢測，從而完成溫度和濕度的檢測。檢測后的數據經過A/D轉換輸入單片機，單片機完成數據處理功能，單片機輸出的溫度和濕度信號，通過RS485接口傳遞給短信GSM網絡。

短信網絡：短信GSM網絡的發送網絡把信號發送出去，短信GSM網絡的接受網絡把信號接受。

主程序運行網絡：短信GSM網絡的接受網絡把接收到的信號通過RS232接口傳遞給計算機，在計算機內進行數據處理，完成主控程序運行。

控制網絡：計算機處理后數據，可控制報警裝置、顯示裝置、打印機等工作，或者控制相應的溫度和濕度調整裝置進行工作。

2 系統設計

2.1 GSM短信網絡設計

GSM短信網絡采用廈門宇能電力科技有限公司生產的YN1010—DTU短信模塊。YN1010-DTU GSM短信息數據傳輸模塊是由GSM移動通信模塊和數據通信處理模塊兩大部分構成，該模塊利用GSM移動通信領域的短信息技術，采用點對點方式實現對帶通信功能的終端的數據遠程無線傳輸。模塊是以GSM短信息通訊及單片機技術為核心，自動完成短信息管理中心發出的短信息命令的接收解碼、終端返回數據的編碼發送。 模塊采用大規模集成電路技術、單片機控制技術、抗干擾技術及 RS485、RS232通信技術，線路設計和元器件的選擇以較大的環境適應性為依據，可保證長期穩定工作。模塊具有體積小、重量輕、安裝容易，操作簡便、可靠性能高、抗干擾能力強等特點[4,5]。

圖1 GSM短信網絡

YN1010—DTU GSM短信數據傳輸模塊與YN1010短信控制機配合使用組成一套完整的GSM短信數據傳輸系統：管理中心電腦通過R232接口將終端的命令按通信協議送入YN1100短信控制機，YN1100將命令組合打包通過短信方式傳送到YN1010—DTU，YN1010—DTU將接受的數據進行解包校驗，并將完整的命令通過RS485或RS232下傳到終端，終端返回的數據再通過RS485或RS232送入YN1010—DTU，YN1010—DTU將數據組合打包再以短信方式傳輸到YN1100短信控制機，YN1100短信控制機將數據解包校驗后送入電腦[5-8]，如圖1所示。

2.2 集成溫度傳感器AD590檢測電路設計

AD590是AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器，實際上中國也開發出了同類型的產品SG590，這種器件在被測溫度一定時相當于一個恒流源，該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性，性能穩定，靈敏度高，無需補償，熱容量小，抗干擾能力強，可遠距離測溫且使用方便，即使電源在5-15V 之間變化，其電流只是在1微安以下作微小變化[3]。

AD590是電流型溫度傳感感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。AD590集成溫度傳感器電路設計，如圖所示。電流型AD59O集成溫度傳感器是一種輸出電流與溫度成比例的電流源器件，即輸出電流是溫度的函數。在設計測溫電路時，首先應將電流轉換成電壓。AD590溫度傳感器的信號是整個電路的總電源電流，該電流與施加這個電路上的電壓源大小無關 (從5伏到15伏左右)，整個電路相當于一個串入使用的溫度敏感的恒流源，溫度靈敏度為1( A/K)。輸出電流I與絕對溫度K成正比，若用攝氏溫度表示，則要進行轉換，關系式為：

I=KTTC+273.2或I=KTTK

式中KT為標定因子，AD590標定因子為1LA，KT為開氏溫度，TC為攝氏溫度，I的單位為LA，當攝氏溫度為零時，輸出電流為273.2LA[6]。

AD590溫度檢測電路，如圖2所示。圖2中，采用美國德州儀器公司(TI)新近開發的 16 位RISC指令單片機MSP430F149作為中央處理機，它的突出優點是超低功耗和功能集成，非常適合于自動信號采集、液晶顯示、智能化儀器等便攜式裝置中。 MSP430F149 的工作電壓 1.8～3.6V，有 5 種超低功耗工作模式可以切換到活動模式，不用擴展系統。單片機MSP430F149有八個通道[1～3]，可以對八個大棚或一個大棚內的八個位置進行檢測，AD590檢測到的模擬信號通過A/D轉換變為數字信號，完成數字采集，通過串行口傳遞給計算機進行處理和顯示。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商學院計算機學院學生，主要研究方向為云計算、大數據及計算機算法理論。E-mail:969308497@qq.com；

圖2 溫度傳感器AD590檢測電路

MSP430F149與主機的數據通信是通過RS232通信模塊實現的。RS232 模塊主要由 Maxim 公司的 MAX232/ MAX232A 接收/發送器組成，是Maxim公司特別為滿足EIA/TEA 232E的標準而設計的。它們在 EIA/TIA 232E標準串行通信接口中日益得到廣泛的應用，功耗低、工作電源為單電源，外接電容僅為 0.1μF或 1μF；采用雙列直插封裝形式、接收器輸出為三態TTL COMS等，為雙組RS232接收/發送器，工作電源為+5V，波特率高，價格低，可在一般需要串行通信的系統中使用。

2.3 集成濕度傳感器IH3605檢測電路設計

IH3605內部的兩個熱化聚合體層之間形成的平板電容器電容量的大小可隨濕度的不同發生變化，從而可完成對濕度信號的采集[2～11]。熱化聚合體層同時具有防御污垢、灰塵、油及其它有害物質的功能。

IH3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高，在實際應用中，通過以下兩個步驟可計算出實際的相對濕度值。

1）首先根據下述計算公式，計算出25℃溫度條件下相對濕度RH0。

VOUT=VDC(0.0062RH0+0.16)

其中VOUT為IH3605的電壓輸出值，VDC為IH3605的供電電壓值，RH0為25℃時的相對濕度值。

2）由于在不同溫度下濕度傳感器的線性率會發生變化，故需進行比例和偏差系數校正[13]。通過進行溫度補償，計算出當前溫度下的實際相對濕度值RH。

其中RH為實際的相對濕度值，t為當前的溫度值，單位為℃，溫度探頭采用DS1820,在單片機內將讀到的濕度值進行溫度校正，得到實際的相對濕度值[4-10]。

由于IH3605的輸出電壓較高且線性較好，因此電路無需進行信號放大及信號調整，可以將IH3605的輸出信號直接接到A/D轉換器上，完成模擬量到數字量的轉換。由于IH3605的輸出信號范圍為0.8～3.9V（25℃時），所以選擇具有設定最小值和最大值功能的A/D轉換器。

IH3605濕度檢測電路，如圖3所示。其核心器件采用AT89C2051單片機，A/D轉換器采用TI公司的TLC1549十位串行A/D轉換器，R1、R2、R3設定A/D轉換器的最大輸入電壓，R4、R5、R6設置A/D轉換器的最小輸入電壓，溫度探頭D2采用DALLAS公司的全數字式測溫集成電路DS1820，由P10口讀入溫度值，在單片機內將讀到的濕度值進行溫度校正，得到實際的相對濕度值。

圖3 濕度傳感器IH3605檢測電路設計

3 網絡連接

圖4所示，系統間的通信采用RS485接口[6]。手機模塊與單片機、微機之間通訊時，通過手機的通信接口，由單片機控制開、關機和發送、接受短信，因此手機既可以與微機通信，又可以與單片機通信。

圖4 網絡通信圖

4 軟件設計

4.1 終端用戶軟件

終端用戶軟件設計采用匯編語言，主要完成各種參數的設置、溫度檢測通道的選擇、濕度檢測通道的選擇、溫度和濕度的數據采集、數據處理以及與計算機通過手機短信GMS SMS數據傳送等功能，單片機在完成一次數據采集過程后，將數據向上位機傳送，傳輸方式為點對點傳輸。程序為為模塊化結構，各模塊之間相對獨立，分為初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、顯示程序模塊、報警模塊、數據串行通信程序模塊，這樣可以使得程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統的功能。其軟件流程如圖5所示。

4.2 計算機軟件設計

圖5 軟件流程圖

計算機采用C語言和匯編語言混合編程，互相融合，共享數據文件，完成手機短信GMS SMS的發送和終端用戶數據的傳送、溫度和濕度的計算及顯示、數據存儲、系統設置、查詢、打印、報警等。

4.3 短息調試

如圖6所示，雙擊SMSTest文件，彈出主界面，在站點SIM卡號文本框中填寫YN1010—DTU手機號碼；在發送命令文本框中填寫用戶顯示命令；按發送短信按鈕發送顯示命令；YN1100短信控制機接受數據顯示在接受內容文本框中，接受短信手機號碼在來信SIM卡號文本框中[5-11]。

4.4 控制網絡

控制系統的上位管理計算機采用工控機，安裝在控制管理室內，以控制管理室為中心，監控系統主要完成多棚聯片溫室的溫、濕度測控或一棚多點溫室的溫、濕度測控及管理功能。

圖6 短息調試圖

每個溫室大棚的耳房或單個大棚的監測點內安裝有一臺智能控制器，與現場溫、濕度探頭及滴灌控制電磁閥共同組成現場控制站。現場控制站設有手動灌溉系統切換裝置，以便在溫室斷電、現場控制器故障、電磁閥故障等情況出現時使用。RS - 485 總線通信系統選用非屏蔽雙絞線，施工布線采取地埋方式，溝深1.5米，有PVC套管保護，并且冗余備用。

5 實驗結果

1）利用溫度傳感器可以采集到具體測試點的溫度，測試準確，并通過信號調理電路后傳送到單片機進行數據處理，以短信的形式進行發送。

2）利用濕度度傳感器可以采集到具體測試點的濕度并校正，測試準確，通過信號調理電路后傳送到單片機進行數據處理，以短信的形式進行發送。

3）短信系統進行短信處理，并發送和接受。

4）通過控制中心的管理作用，控制大棚內的溫度和濕度，使得大棚內溫度、濕度達到蔬菜生長的最佳理想環境。

通過上述網絡系統的數據檢測、短信的傳送，并通過相應的控制系統來實現蔬菜大棚內各點的溫度和濕度或不同蔬菜大棚內溫度和濕度的控制，較好的完成蔬菜大棚內蔬菜的種植。

6 結論

濕度、溫度傳感器的應用范圍很廣，單片機技術的智能控制也配置靈活，短信GSM網絡操作更加簡便，它們組成的分布式控制系統在聯片溫室大棚或一棚多點測控項目上的應用，增加了作物產量，減少了病害的發生，避免了因誤差或滯后帶來的損失，提高了該領域的自動化生產水平，是較為理想的經濟型監控裝置，并有著廣闊的推廣應用前景。

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