植物生長環境遠程監測儀

摘 要：儀器制作的目的是實時采集野外影響植物生長環境的各項數據，并遠距離傳輸到監控站，實現遠程監測，以減少人力物力。系統采用了ATmega16單片機與用戶端VB數據庫界面相結合的方式，進行了軟件與硬件的設計，實現了對溫度、濕度、光照強度等基本環境因素的采集，儀器采用太陽能供電，做到無人監控工作，使用了RF與GPRS兩種無線傳輸模塊相結合的方式，可以做到近距離與遠程的無線傳輸，編寫的VB數據庫界面可以從通信串口實時讀取數據，并動態建立數據庫。

關鍵詞：傳感器; 太陽能; 無線通信; 數據采集; 單片機

中圖分類號：TN954+.2-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0132-03

Remote Monitoring Equipment for the Environment of Plants

SUN Ke-cheng， ZHANG Hao， HUO Hu， ZHANG Mi

(College of Science， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China)

Abstract： The purpose of the instrument is to acquire the real-time data of the environment where plants grow， and make long-distance transmission to monitoring station for realizing remote monitoring and reducing manpower. This system combines ATmega16 microcontroller with a client-side designed by VB which is used for instituting database， and designs the software and hardware. The instrument makes it possible to gather the data of temperature， humidity， light intensity， wind speed and other basic environmental factors. Adopting solar power to power the instrument and using both RF and GPRS to transmit the data wirelessly can be achieved. The compiled VB database interface can read real-time data from the communication serial port， and dynamically establish database.

Keywords： sensors; solar energy; wireless communication; data acquisition; microcontroller

影響植物生長的環境因素有環境溫度、空氣濕度、土壤含水量、光照、二氧化碳濃度、風速等方面。在對植物生長環境的研究中，通常需要長時間的野外考察來記錄數據［1］。本文提出的植物生長環境遠程監測方案，能夠實現遠程、無人干預地檢測這些環境因素并自動建立數據庫，大大減少了人力物力，并且能做到在夜晚或惡劣天氣條件下正常工作，數據采集的時間間隔可以調節，做到了許多人力難以完成的工作。

1 系統的基本構成

通過各類傳感器采集地面環境信息，并將其轉換成相應的電信號，通過一定的數據采集方式轉換為數字信號輸入到單片機，單片機對該信號進行進一步處理，生成適合傳輸的信號，并通過信號傳輸通道傳輸，用戶端通過對無線串口所傳入的信號進行檢測、篩選、分類、處理，最終在用戶界面上顯示并記錄這些信息。室外采集與室內接受結構圖如圖1所示。

2 傳感器模塊

傳感器對地面環境要素的檢測質量決定了系統觀測指標的上限。因此傳感器是本系統的基礎，為了構筑性能優良的智能采集系統，必須首先對所需要的傳感器進行介紹。系統主要采集了環境的溫度、空氣濕度、光照強度三個方面的數據，并對風速風向的采集作了簡要介紹。

2.1 溫、 濕度傳感器

儀器采用了瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術的新型溫濕度傳感器SHT10。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，發揮出強大的優勢互補作用。為了將SHT10輸出的數字量轉換成實際物理量需進行相應的數據處理。SHT10的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，在對采集數據的多次擬合后得出公式(1)修正濕度值。

3 太陽能自動檢測供電系統

電源設計時需要考慮系統中所需的電壓類型及各電壓下對應的功耗，從而進行合理的電源分配及穩壓芯片選型，選擇時需要考慮輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、輸出電流驅動能力、動態特性、帶負載能力、轉換效率等參數。 為了提高能源利用率，增強采集裝置的可移動性，采用太陽能電池與后備電池組合方式進行供電。當太陽能電池充足時，由太陽能電池供電，同時對后備電池進行充電；當太陽能電池電力不足時，轉由后備電池供電。自動切換電路的工作原理簡單，只需通過兩個低導通壓降二極管(一般為肖特基)實現。而智能充電電路相對復雜一些，這主要和充電電池的特性有關。在充電過程中，電池內部溫度、壓力隨電壓的增加而增加，特別是在接近充滿時，其增加速度更快，所以為了安全可靠的充電，合理地檢測充電狀態，分配充電電流是必要的。同時注意對系統供電方式進行監控，若系統轉為電池供電，此時由單片機控制充電電路處于關閉狀態，當檢測到系統轉為太陽能供電時，再開啟充電電路。

3.1 鋰電池的充電控制與保護電路設計

在充電電路設計中可以自行設計相應模塊進行參數檢測，但是為了提高系統的集成度和可靠性，一般考慮采用集成電路的形式，這里采用了CN3083芯片進行充電控制與保護［2］。CN3083是專門為利用太陽能板等輸出電流能力有限的輸入電壓源對單節鋰電池進行充電管理的芯片，芯片內部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設定，最大持續充電電流可達600 mA，不需要另加續流二極管和電流檢測電阻。CN3083包含兩個漏極開路輸出的狀態指示輸出端，充電狀態指示端CH和充電結束指示輸出端OK。芯片內部的高精度的電壓基準源，誤差放大器和電阻分壓網絡確保電池端調制電壓的誤差在±1%以內，滿足了電池的要求。當輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3 μA，從而增加了待機時間。CN3083芯片的外部連線設計如圖3所示。

3.2 SP9261C升壓電路的設計

系統中各部分所需的電壓不同，因此需要將鋰電池的電壓變換為適合放大器等元器件工作的電壓。SP9261C是一款低功耗，0.8 V啟動的PFM升壓控制器。其本身獨有的600 kHz高頻振蕩頻率特別適合低輸入電壓，芯片的升壓比高，且大輸出電流應用環境下只需配置數值較小的電感，具有更小的啟動電壓，或同樣低電壓情況下產生更大的輸出電流。其整個應用電路如圖4所示。

4 無線傳輸系統

為了實現數據的遠程傳輸，有必要采用一種無線傳輸設備進行數據傳輸。常用的無線通信方式有RF，紅外，Wii-Fi， GPRS，GSM等。結合了距離與價格兩方面的因素，儀器無線模塊采用了RF無線傳輸與GPRS相結合的方式組成傳感器網絡。

其中RF的特點是簡單易行，成本低，傳輸距離小于3 km［1］，最終采用了SWRF-105(FHL-0611)433 MHz的無線模塊實現數據的無線傳輸，這一模塊采用了晶體穩頻，內置數字鎖相環，可根據用戶需要靈活設置頻點；提供TTL電平和模擬RS 485/RS 232規格信號的UART接口；數據傳輸方式為UART方式。

GPRS的無線數據傳輸的特點是成本較高、協議復雜，依托通信網絡，傳輸距離不受限制，后期使用成本較高［3］。因此，在超遠距離傳輸方面，采用了GSM網絡，使用西門子公司的MC55 GRPS模塊，可以將一個傳感器網絡內的數據通過短信或其他方式傳送至任意一部在網通信設備。該方案使得數據的傳輸幾乎不受距離限制。在室內計算機與單片機之間無線傳輸數據需要制定傳輸協議，單片機與電腦串口收發程序流程圖如圖5所示。

5 單片機顯示及用戶界面設計

室外儀器的主控部分采用了Atmel公司的ATmega16單片機。該單片機在資源與運算速度滿足要求的前提下，功耗最低，適合對功耗要求較嚴格的場所使用，可以在無人干預下長期穩定運行。在室外的監測儀器除了可以采集發送數據外，還通過單片機進行了LCD的顯示。

在用戶端用VB開發了數據采集系統的界面，使用VB結合Access數據庫進行上位機軟件編程，軟件主要實現了以下功能：通過MSComm控件進行無線通信數據的串口接收［4］；實現了VB與Access數據庫的連接，可以通過VB界面查看、查詢、刪除歷史數據；可以實時地接收戶外儀器發送的數據并顯示在界面上，同時自動更新Access數據庫。

6 結 語

植物生長環境遠程監測儀最終做到了采集環境中的溫度、濕度、光照強度等與植物生長環境密切相關的因素，這些數值在單片機液晶屏顯示的同時可以遠距離傳輸到用戶端，RF與GPRS相結合的方式可以做到在盡可能節約成本的情況下遠距離傳輸數據，儀器采用的太陽能電池板與鋰電池相結合的供電方式使得儀器可以長時間自動工作，完成了VB與Access數據庫的結合，在實時顯示數據的同時動態建立數據庫。

參 考 文 獻

［1］郝麗麗，馬小軍，張娟.便攜式多參數環境監測儀的設計［J］.計算機測量與控制，2006，14(6):835-837.

［2］程莉莉，趙建龍，熊勇，等.用太陽能電池供電的鋰電池充電管理集成電路的設計［J］.中國集成電路，2010，19(6):48-52.

［3］顧簡，施云波，修德斌，等.基于GPRS的環境溫濕度監測系統設計［J］.電子設計工程，2011，19(3):61-64.

［4］馬興，童卓，周麗娟.基于VB的PC機與單片機間串口通訊及程序設計［J］.兵工自動化，2010，29(10):94-96.

［5］侯波，姚軍軍.溫室環境多參數自動監測儀的設計［J］.農機化研究，2010(1):143-145.

［6］郭文堅，賴安定.GPRS方式組網的配變監測系統的應用［J］.寧德師專學報:自然科學版，2006，18(1):78-80.

［7］張曉波，蘇黎明，李剛，等.基于GPRS網絡的可靠數據傳輸的研究及其應用［J］.齊齊哈爾大學學報，2006，22(1):50-52.

［8］李金山.學生信息管理系統的設計［J］.科技情報開發與經濟，2005，15(14):231-232.

［9］楊偉新，張曉森.溫濕度控制系統設計［J］.機械研究與應用，2008，21(6)：115-117.

作者簡介：

孫克成 男，1989年出生，江蘇連云港人。主要研究方向為嵌入式系統。