溫室大棚多點溫度采集系統的設計與實現

胡同花，周維龍

（1.永州職業技術學院 湖南 永州 425100;2.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412008）

溫室大棚多點溫度采集系統的設計與實現

胡同花1，周維龍2

（1.永州職業技術學院 湖南 永州 425100;2.湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412008）

針對目前在溫度采集電路中的不足，結合一般溫室大棚的功能需求，提出了一種基于FPGA的多點溫度采集系統，本系統采用HX-EP2C8-V5型FPGA開發板作為研發平臺，以DS18B20作為溫度傳感器，利用FIR濾波器實現對采集信號的去噪處理，實現對溫室大棚內多點溫度采集，當測量溫度超過設定范圍時，可實現自動報警。文章詳細分析了系統功能需求，結合QuartusII給出了溫度定期及按鍵選擇采集模塊、DS18B20溫度采集模塊以及FIR濾波器的仿真結果。

溫度采集，DS18B20，QuartusII，FIR 濾波器

溫室大棚己經廣泛應用在我國的農業生產領域中，特別是我國北方，寒冷季節時間較長，不適宜農作物的種植和生長，通過搭建溫室大棚，提高大棚內的環境溫度，為農作物的良好生長和提高作物產量提供必要保證。我國作為一個農業生產大國，溫室大棚在農業生產過程中有著十分重要的作用[1]。溫度作為作物生長一個非常重要的參數，溫度的變化影響作物的發芽、幼苗的成長、作物的開花、果實的成熟等等。對于不同的作物，其適宜生長的溫度不同；對于同一作物，在不同的長成時期對溫度的要求也不相同。因此，我們必須實時獲取作物生長的環境溫度。對超過作物生長適宜范圍的溫度能夠報警。另一方面，由于作物分布空間的狹小，各點的溫度在同一時間上可能存在差異，所以對于溫室必須采取多點采集，以保證能夠更準確的獲知作物生長的實時溫度[2]。

傳統的溫度采集，是利用溫度計進行人工測量，隨著嵌入技術的不斷發展與應用，越來越多人開始將其應用到溫度的采集中去，文獻[3]中，作者提出一種以EPF10K10LC844為主控器，采用AD590作為溫度傳感器、輔之以高質量數據放大器，實現高精度溫度測量的多路溫度采集系統。該系統采用模擬溫度傳感器，在數據處理過程中，必需設計信號調理電路，增加了設計難度，而且系統采用ADC0809實現A/D轉換，其精度只能達到0.4%左右，會帶來較大的測量誤差。張姍姍[4]在2012年提出一種基于單片機的溫度采集控制系統，系統以AT89C52為控制核心，以數字式溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測元件。實現了溫度的采集與報警功能，受單片機引腳的限制，系統擴展難度較大，難以實現多點溫度的采集與控制。

針對以上設計方案中的不足，結合一般溫室大棚的功能需求，提出了一種基于FPGA的多點溫度采集系統，本系統以采用EP3C25Q240C8為主控制器，以DS18B20作為溫度傳感器，利用FIR濾波器實現對采集信號的處理，提高測量準確度，實現對溫室大棚內多點溫度采集功能。

1 系統功能需求與總體方案

1.1 系統的基本設計要求如下:

1 )能夠測量溫室大棚的溫度情況。當現場采樣的溫度超出預先設定的上下限值時，再由工作人員對環境調節設備進行操作。

2 )具有溫度設定和溫度顯示功能。利用鍵盤輸入設備設定現場環境的溫度的上下限值：使用LCD設備用來顯示當前時間和溫度。

3 )具有溫度報警功能，當測量溫度超過設定溫度范圍時，自動報警。

4 )系統的性能指標如下:

①溫度測量范圍：0～70℃，測量精度士0.5℃;

②測量點的個數：8個;

③能夠實時顯示要觀測點的溫度情況，并且能夠保存及回放歷史記錄；能夠設定測量點的巡測速度。

④系統要有可擴展性，能夠根據需要可方便的擴展濕度，二氧化碳濃度等物理量。

1.2 總體方案

根據設計性能要求，提出一種如圖1所示的總體設計方案，本系統以FPGA為主控制器，采用DS18B20為節點溫度傳感器，MCD12864為溫度顯示模塊，外加蜂鳴器報警、RS232數據傳輸模塊以及鍵盤輸入模塊等外圍電路構成。溫度采集電路將采集到的信號，以1-wire通信的方式通過I/O口輸入到主控器FPGA內，經內嵌FIR濾波器處理后，由LCD顯示模塊顯示當前溫度，并在CPU中實現測量溫度與設定溫度之間的比較，若超出設定范圍，便由報警電路出發報警聲音。同時由RS485將信號傳輸到上位機，可實現多點溫度的遠程監測。由于FPGA的I/O口較多，只要在數據采集部分，外接濕度，二氧化碳濃度等物量傳感器，便可實現對濕度，二氧化碳濃度的采集與監控的功能，系統具有良好的可擴展性。

圖1 系統總體方框圖Fig.1 Structure diagram of system

2 系統硬件電路設計

硬件電路是溫度采集系統工作的基礎，其設計的好壞，將直接影響到系統功能的實現[5]。本系統硬件主要由FPGA最小系統電路、溫度采集電路、LCD顯示電路、溫度報警電路與RS232通信電路組成。為節省開發時間，保證硬件系統性能穩定性，本系統采用HX-EP2C8-V5型FPGA開發板作為研發平臺，該學習板以 為核心，實物圖如圖所示，在本設計運用128*64點陣式LCD接口，蜂鳴器，RS-232串口，4個按鍵開關，外加8個I/O口與8路溫度采集傳感器電路相接，即可實現系統硬件電路的要求。其中4個按鍵的功能見表1。

表1 鍵盤按鍵功能表Tab.1 Keyboard menu

圖2 系統硬件平臺實物圖Fig.2 Physical map of system hardware platform

3 系統軟件設計及FPGA實現

系統軟件設計采用模塊程序設計。采用自頂向下的程序設計[6]。外部設備可以直接與FPGA直接連接，這樣既便于系統模塊化，也可提高程序效率。系統的軟件設計應充分考慮到軟件抗干擾措施。在主模塊中的主要程序是溫度檢測程序，其軟件流程如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Flow chart of system

3.1 溫度定期及按鍵選擇采集模塊設計與仿真

該模塊是實現對八路溫度信號定時循環選擇采集，CLK為定時信號的輸入，UP/DWON為按鍵選擇輸入信號，ena為控制IO端口temp[7..0]使能端，dp為從某一路采集端口的輸入輸出端，temp[7..0]為八路溫度采集端口。通過使能端ena實現對八路DS18B20的讀寫選擇。當有選鍵按下時通過對按鍵計數最后實現八路信號的選擇直到最后退出。 為溫度報警輸出使能端當有采集的溫度數據值超過設置的上下限溫度時則選鍵和定期采集無效只采集當前路數溫度數據直到報警解除。當deep輸入端口輸入有效信號時cnt[3..0]表示當前路數的溫數值已超過設定的溫度值并實時采集當前報警路數的溫度直到deep為電平報警解除溫度回到設定值之內然后啟動定時循環采集八路溫，當有按鍵選擇選擇按鍵選中的路數進行溫度采集，其仿真結果如圖4所示。

圖4 溫度定期及選擇采集模塊仿真圖Fig.4 Simulation diagram of temperature acquisition module about regular and select

3.2 DS18B20溫度采集模塊設計與仿真

該模塊為DS18B20數據采集，CLK為溫度采集時序控制輸入端，temp[15..0]采集數據輸出端，dp為對 DS18B20數據讀寫端。通過CLK的輸入時序信號dp端口實現對DS18B20數據的的讀寫以及對采集的數據實現相應的數據轉換,把采集的數據從temp[15..0]輸出到LED模塊。ena為控制八路溫度某一路的輸入輸出信號。當對DS18B20讀數據時輸出高電平，對其寫數據時輸出低電平。如圖5所示，圖中dp的前八個脈沖為對DS18B20的初始化操作，從第九個脈沖即開始對DS18B20進行數據采集，采集的數據FF0A數值轉換成相應的溫度值為15.4度。

圖5 DS18B20溫度采集仿真圖Fig.5 Simulation diagram of temperature acquisition based on DS18B20

3.3 FIR濾波器的FPGA實現

本系統采用數字濾波器FIR[7]實現對溫度的濾波。Altera提供的FIR Complier是一個結合Altera FPGA器件的FIR Filter Core，DSP Builder與 FIR Compiler可以緊密結合起來。DSP Builder提供了一個FIR Core的應用環境和仿真驗證環境。圖6為FIR濾波器編譯電路圖。在QuartusII中打開編譯后生成的fir.qpf工程文件，就可以得到濾波器的VHDL語言。

圖6 FIR濾波器編譯電路圖Fig.6 FIR filter compiler diagram

最后，建立系統頂層原理圖文件，把上述各部分所生的symbol在QuartusII7.2提供的BlockDiagram/SchematicFile中用Graphic Editor編輯連接起來，完成總的系統方框圖如下圖 所示，其中 濾波功能在主控制器 模塊中實現，CLK_Div模塊實現對主時鐘頻率的分頻，即可完成整個系統的設計。

圖7 系統頂層原理圖Fig.7 System top-level schematic

4 結束語

本設計使用DS18B20數字化溫度傳感器，實現多路溫度采集功能，簡化了硬件系統，減少了使用模擬傳感器要進行信號調理A/D轉換等工作如果要進行長距離測溫，還可以使用總線提供電源的方式省去一根電源線。

在今后的研究中，利用FPGA多I/O口的特點，在輸入端接上如濕度、二氧化碳濃度等物量傳感器，便可實現對濕度，二氧化碳濃度的采集與監控的功能；另外，通過RS232通信接器，將系統采集的到信號傳送到上位機，可實現大棚溫室的遠程監控，可推動聯網技術在農業上的應用。

[l]鄭文剛，趙春江，王紀華.溫室智能控制的研究進展[J].農業網絡信息，2004(2):8-11.

ZHENG Wen-gang,ZHAO Chun-jiang,WANG Ji-hua.Research Summary on Intelligent Control of Greenhouse[J].Agriculture Network Information，2004(2):8-11.

[2]冉偉剛.溫度大棚數據采集系統[D].蘭州：蘭州大學，2010.

[3]魯 玲，劉大年，于海東.基于FPGA的高精度多路溫度采集器[J].電氣自動化，2006，28（2）：135-137.

LU Ling,LIU Da-nian,YU Hai-dong.High accuracy data acquisition module for multi-channel temperature signals based on FPGA[J].Electrical Automation,2006，28（2）：135-137.

[4]張姍姍.基于單片機的溫度采集控制系統設計[J].信息通信，2012（6）：69-70.

ZHANG Shan-shan.Design of temperature acquisition and control based on MSC [J].Information&Communications,2012（6）：69-70.

[5]韓澤遠，張寧，閆陶.基于單片機的一種嵌入式溫度采集實時控制系統設計研究[J]計算機科學，201210(39):：39-41.

HAN Ze-yuan,ZHANG Ning,YAN Tao.Design and research on real-time control system of an embedded temperature acquisition based on SCM [J].Computer Science，201210(39）:39-41.

[6]胡紫英，譚立志，周維龍.基于FPGA的智能溫度變送器的設計[J].微計算機信息，2010(26):137-139.

HU Zi-ying,TAN Li-zhi,ZHOU Wei-long.The design of intelligent temperature transmitter based on FPGA[J].Microcomputer Information,2010(26):137-139.

[7]胡同花，周維龍.基于FPGA的OFDM調制器設計與實現[J]電子設計工程，2011,15(19):139-144.

HU-Tonghua,ZHOU-Weilong.Design and Realization of OFDM modulation based on FPGA technique[J]Electronic Design Engineering,2011,15（19）:139-144.

Design and implementation of multi-point temperature acquisition system of the greenhouse

HU Tong-hua1，ZHOU Wei-long2
（1.Yongzhou Vocational Technical College，Yongzhou 425100,China;2.College of Electronic and Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412008,China）

In view of the lack of temperature acquisition circuitry,and combined with the general functional requirements of greenhouses.This paper presents a multi-point temperature acquisition system based on FPGA.The system achieve multi-point temperature acquisition of the greenhouse and alarm automatically when the measured temperature exceeds the set range,which with HX-EP2C8-V5 FPGA development board as the platform,and DS18B20 as the temperature sensor,and FIR filter as the signal denoising.The article detailed analysis the functional requirements of the system,and show the simulation results of select the temperature acquisition module,DS18B20 temperature acquisition module and the FIR filter with QuartusII.

temperature acquisition；DS18B20；QuartusII；FIR filter

TP273

A

1674-6236（2014）13-0087-04

2013-10-20 稿件編號：201310128

永州市科技計劃項目（永財企指【2013】3號）

胡同花(1982—),女,湖南永州人，講師。研究方向：計算機網絡。