溫室溫度信息一體化的設計與研究

【摘要】本文介紹了使用AT89S51單片機和溫度傳感模塊構造的溫度采集系統，構造出在開發板的基礎上設計出的溫室溫度測量系統，研究出了前臺，同樣通過有線網或者無線網的物聯網技術進行實時的信息傳輸和交換，使相關的操作人員可以在不同距離下進行指揮和調度，確保溫室溫度在相關的季節保持一個合適的狀態，達到高效增產的目的。

【關鍵詞】單片機；溫度控制；AT89S51；傳感器；ZIGBEE

1.引言

物聯網技術的發展給不同行業的發展帶來了新鮮的技術，由于物聯網有交互性和實時性的特點，在工業控制、農業、電子商務、智能家居等方面提供了很大的技術支持[1]。在各個方面有很大的技術空間和開發環境，比如在智慧農業的發展方面也很有前景，傳統農業中的打藥、施肥、澆水，農民全靠感覺、憑經驗。如今要發展現代化的農業除了要憑感覺和經驗，先進的技術手段也必不可少，可以在物聯網的基礎上設計農業監控系統、農業通風系統以及農業灌溉系統等各個方面，本文就是在這樣的技術前提下，提出了基于物聯網的溫室溫度控制系統，全面的設計和介紹了這種系統的架構和實現。

2.系統的設計與架構

2.1 性能指標

本設計的前臺是溫度采集和控制系統，在這樣的系統下要完成溫度的采集和整理需要相關的設計器件，如溫度傳感器，本設計中的溫度傳感器采用了DS18B20型號的傳感器，測量的范圍比較廣，精度也比較高，可以通過液晶顯示當前的溫度，也可以設定相關的溫度[2]。設計的微處理器采用了AT89S51系列，采用AT89S51系列有很多特點：AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。

在設計中，溫度的采集的傳輸有多種形式，物聯網的基礎技術還包括電子數據的交換（E DI）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）、射頻識別技術（RFID）等關鍵技術[3]。在遠程信息傳輸過程中也采用了是無線網技術，在串口設備聯網有得天獨特優勢的串口WiFi產品線，它的最大特點是：可以通過串口來配置各種參數，并且實現自主連接，連接完成之后可以直接進行數據透傳。可以幫助很多設備通過串口就很容易實現WiFi通信，實現物物都聯網的目的。可以通過遠程進行控制，當測試的溫度高于溫室溫度的上限值得時候進行遠程降溫，如果采集的溫度低于允許溫度的下限時，將溫室溫度進行加溫，將溫度控制在允許的正常范圍之內。

2.2 系統方案比較、設計與論證

該溫度采集系統的前臺系統主要由溫度測量和溫度設置及系統狀態顯示三部分電路組成，下面介紹實現此系統功能的方案。

（1）溫度測量

采用數字溫度芯片DS18B20輸出信號全數字化來測量實際溫度，便于單片機控制及處理，可以簡化很多外圍電路。DS18B20的測量性能很穩定，不僅可以測量農業溫度，在工業溫度的測量中也是可以的。由于測量的精度高，測量的誤差不超過0.5攝氏度[4]。DS18B20的最大特點之一采用了單線采集系統可以直接與計算機進行連接也可以通過電子顯示屏顯示相關的溫度。在這樣的情況下，功耗低，并且體積小，可以節省成本。采用51單片機控制，軟件編程的自由度大，可以通過簡單的匯編語言程序設計進行編程，還可以采用靈活的C語言進行程序設計。既可以單獨對多DS18B20控制工作，還可以與PC機通信上傳數據，另外AT89C51在工業控制上也有著廣泛的應用，在整體的設計技術已經很成熟了[6]。

（2）設置溫度

采用可用4X3型鍵盤輸入設置溫度，鍵盤系統僅需12個按鍵，可以用4X4型。該型鍵盤比較常用，而且用到的接口得到了極好的利用，僅需要8個接口[7]。

（3）狀態顯示

測溫裝置可以通過遠程的計算機也可以通過開發板的LCD進行溫度的顯示，在物聯網的基礎上進行開發，兩種的可行性都可以。綜上所述各個方案都可以進行開發，具體的設計如圖1所示。

該系統利用AT89S51芯片控制溫度傳感器DS18B20進行實時溫度檢測并用LCD（AMPIRE 128X64）顯示該系統實際溫度和設置溫度。該系統還具有非常強的擴展性，可以將它用在實際生活用品中，如普通的加熱設備的使用都可以采用相關的傳感器進行設計。

（4）無線傳輸

作為比較流行的無線傳輸技術，通常采用WIFI作為基本的傳輸網絡，將采集到的溫度信息傳輸到前臺的計算機上，它傳輸的速度可以達到100mbps，傳輸速度較高，而且穩定性較好，但是WIFI無線保真技術只適合近距離傳輸，若要使用遠距離傳輸，采用ZIGBEE技術有較好的市場，采用了密鑰技術，有容量大，可靠性好，時延小的特點，并且實現成本比較低。

3.前臺硬件設計電路

溫度采集電路設計中，控制器使用單片機AT89S51，溫度傳感器使用DS18B20，用液晶實現溫度顯示。下面具體分析溫度檢測電路：

DS18B20的供電電源有2種方式：寄生電源方式和外部供電方式。工作于寄生電源方式時，GND和VDD接地，比較適合遠程電路控制和場合，原理是當DQ作為1Wire總線的信號線并且在高電平，DS18B20供電用竊取能量信號[8]，同時一部分能量給內部電容充電，當DQ為低電平時釋放能量為DS18B20供電。但寄生電源方式需要強上拉電路，軟件控制變得復雜（特別是在完成溫度轉換和拷貝數據到E2PROM時）[9]，同時芯片的性能也有所降低。因此，盡量采用外供電方式，在條件允許的場合。無論是外部供電還是內部寄生電源，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電。在這里采用前者方式供電。DS18B20與芯片連接電路如圖2所示。

4.軟件設計

整個系統的功能是由硬件電路配合軟件來實現的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。從軟件的功能不同可分為兩大類：一是執行軟件（子程序），它是用來完成各種實質性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。二是監控軟件（主程序），它是整個控制系統的核心，專門用來協調各執行模塊和操作者的關系。

5.仿真效果圖的設計

仿真軟件通常采用，PROTEUS來進行繪制，采用PROTEUS仿真具有很多優點，比如設計原理清晰，便于在仿真的基礎上進行設計和實現，并且可以大批量的應用于生產，在物聯網的設計和實現中有較好的發展空間，可以清晰顯示傳感器采集的溫度，以及轉向加熱或者降溫的過程。

參考文獻

[1]李林琛.電加熱爐溫度控制系統數學模型的建立及驗證[J].北京工業職業技術學院學報，2010，9（4）：23-25.LI Lin-chen.Research on mathematical model of temperature control system for electric heaters[J].Journal of Beijing Polytechnic College，2010，9（4）：23-25.

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[7]李正軍.計算機測控系統的設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2004.

[8]周潤景，張麗娜.基于PROTEUS的電路及單片機系統的設計與仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006，2.

[9]徐小濤，王逢東.基于WMN的多信道物聯網信息傳輸機制研究[J].數據通信，2011（05）.

[10]]劉兆元.物聯網業務關鍵技術與模式探討[J].廣東通信技術，2009（12）.

基金項目：湖北理工學院青年項目（項目編號：13xjz060）。

作者簡介：田嵩（1981—），女，碩士，現供職于湖北理工學院計算機學院，研究方向：計算機應用技術。