基于ARM9的大棚遠程溫濕度監控系統設計

范治政 劉永春

摘要：設計了一種以ARM9處理器作為主控器的監控系統，采用高精度溫濕度傳感器DHT11，并結合LabVIEW虛擬儀器軟件編寫上位機界面，借用LabVIEW中自帶的Web服務發布功能，實現了大棚內溫濕度參數遠程動態監測功能。試驗結果表明，系統能及時地采集和顯示大棚內的溫濕度參數，可實現遠程監控。

關鍵詞：ARM9；DHT11；LabVIEW；大棚；溫濕度

中圖分類號：TP277；TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0705-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.053

Design of Remote Temperature and Humidity Monitoring system

of Greenhouse based on ARM9

FAN Zhi-zheng， LIU Yong-chun

（School of Automation and Electronic Information， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， Sichuan， China）

Abstract： The paper presented a kind of monitoring system， taking ARM9 processor as the master controller， using high-precision temperature and humidity sensors DHT11，combining with LabVIEW virtual instrument software program PC interface， and borrowing LabVIEW Web service publishing function. The remote dynamic monitoring capabilities of the temperature and humidity inside the greenhouse was realized. Experiments showed that the system can timely collect and display parameters of temperature and humidity inside the greenhouse， thus enabled remote monitoring.

Key words： ARM9； DHT11； LabVIEW； greenhouse； temperature and humidity

在以往的大棚種植過程中，檢測溫濕度通常是在大棚內懸掛溫度計，通過人工計量的方式進行。這種方式效率低下，費時費力，且易產生差錯[1]。晝夜溫濕度變化過大，將對大棚作物生長造成不利的影響，為了提高大棚的生產效率，有必要對大棚溫濕度進行監控。監控系統采用ARM9作為核心處理器，高精度溫濕度傳感器DHT11作為測量元件，通過RS485總線將大棚內溫濕度參數傳回到監控機。監控界面采用LabVIEW軟件編寫，LabVIEW虛擬儀器內部集成了一個強大的VISA庫。庫內集成了許多通用儀器接口（GPIB儀器、RS232儀器等），通過調用內部接口子VI可以輕易地從儀器當中讀取需要的數據。LabVIEW內嵌了TCP/IP協議，不用復雜的TCP編程就可以實現網絡數據的遠程傳輸。監控系統可實現溫濕度越界報警，供監測者判斷并采取相應的措施及時調整大棚內的溫濕度參數。這種監控系統為大棚生產自動化提供了有效的手段。

1 系統結構與工作原理

系統結構圖如圖1所示。從圖1可以看出，監控系統主要由傳感器檢測單元、驅動電路、ARM控制器、RS485總線和監控機構成。下位機以S3C2440處理器為核心，采用DHT11傳感器檢測大棚內的溫濕度參數，將檢測到的參數送到控制器中處理，控制器從參數中分離出溫濕度參數，通過RS485總線發送給監控機。控制器內部能實現溫濕度報警和自動調節功能。監控機通過RS485和RS232轉換電路從串口讀取溫濕度參數，并將溫濕度值動態地顯示在監控界面上。通過和預設參數作邏輯比較實現溫濕度報警。監控機通過LabVIEW的Web服務功能將參數送到網絡上，供遠程監控者瀏覽和控制。

2 系統硬件設計

2.1 ARM控制系統

ARM控制系統采用基于ARM920T內核的S3C2440低功耗處理器。內部資源豐富，支持16/32位指令集。控制器主要包含了電源模塊、RTC時鐘模塊、存儲電路、復位電路等。ARM控制器有3通道串口，系統中使用一路串口發送（接收）數據。控制器程序下載和升級主要通過控制器所帶的JTAG接口完成。

2.2 溫濕度采集和處理電路

系統采用的數字式傳感器DHT11，是一款集溫濕度測量并帶有數字信號校準的傳感器。DHT11是單數字總線輸出，用一根數據線和ARM9通用GPIO口相接就可以進行數據傳輸，DHT11測量濕度范圍為20%～90%RH，溫度范圍為0～50 ℃[2]。使用時為了避免數據傳送時出現沖突，需在數據輸出管腳接10 K上拉電阻。溫濕度采集電路圖如圖2所示。

2.3 驅動電路和報警電路

當采集到的溫濕度參數低于（高于）報警值時，報警電路將會驅動蜂鳴器發出聲音提示報警。報警分為兩種情況，當參數值低于最低設定值時，點亮D1同時蜂鳴器響應；當參數值高于設定值時，點亮D2同時蜂鳴器響應。當系統報警時可通過控制風機和加濕器以調節棚內溫濕度。出現報警時，控制系統需要判斷屬于哪一種情況以控制外部設備進行調整。控制風機和加濕器的驅動電路基本一致，配置GPF1管腳為輸出，低電平時光電耦合器接通繼電器開始工作。在斷開時為了保護繼電器，需要在線圈兩端并上一個IN4007續流二極管，以達到消弧的目的[3]。驅動與報警電路如圖3。

3 系統軟件設計

3.1 控制器軟件設計

下位機軟件流程圖如圖4所示。ARM控制系統負責溫濕度數據的采集和轉化。系統上電運行后，控制器初始化內部寄存器；初始化結束后，讀取傳感器中的溫濕度數據。DHT11傳感器是單總線式的傳感器，總線處于空閑狀態時為高電平。讀取數據前控制器應該將總線拉低至少18 ms， 再拉高20～40 ms等待DHT11應答。DHT11識別到應答信號后自動拉低總線80 μs，然后再拉高80 μs作為應答。

傳感器響應后開始傳輸數據，一次通信時間約4 ms，傳輸40位數據。前16位數據代表濕度參數，由8位整數和8位小數組成；中間16位數據代表溫度參數，由8位整數和8位小數組成；最后8位是校驗碼數據。40位數據被ARM控制器分離后會通過485總線發送到上位機。監控者可根據監控情況向控制器發送指令控制外部設備。要發送和接收數據還需初始化串口。通過Uart0_init（void）子函數設置串口工作波特率、發送數據位數以及中斷方式等。Uart0_send（data）為串口發送數據子函數，把溫濕度參數發送出去。Uart0_recive（cmd）為接收命令函數，用于接收上位機發送的控制命令。在下位機內部要完成對溫濕度參數的判斷，實現本地自動化控制。當溫濕度參數超標后，控制器就要驅動外部設備自動調節大棚內部溫濕度參數。調整以后系統繼續監控，出現超標情況再次自我調整。

3.2 上位機軟件設計

控制器把數據通過485總線發送到上位監控機，上位機采用串口接收數據。在接收數據前還要通過RS485和RS232之間的轉換電路。LabVIEW與串口通信有多種方法實現。利用內部自帶VISA庫或者自編寫動態庫文件可以實現，也可以采用MSCOMM控件實現。利用自帶VISA庫可以輕易地實現串口通信，該設計采用此種方法和下位機實現串口交換數據。上位機軟件流程圖如圖5。

上位機上電運行后首先對串口進行初始化，調用VISA Configure Serial Port VI實現初始化串口，串口波特率、送數據位數等設置都必須和下位機一致，否則通信會出現亂碼[4]。VISA Read VI從串口中把數據讀出來，通過字符串至字節數組轉換將數據存儲到數組中。采用索引數組的方式把存儲數據讀出來送到對應顯示控件上就可以顯示數據。上位機報警主要采用的是布爾指示燈，分離出來的數據在顯示的過程中同時和設定值作比較，當超標時就點亮報警燈。報警后監控人員通過系統前面板上的外部設備控件控制風機和加濕器以調整大棚內的溫濕度參數。在監控機上控制風機等設備主要通過調用VISA Write VI實現，向串口發送控制命令，發送完畢之后立即釋放串口資源，以持續接收監控數據。系統監控后面板程序如圖6所示。

3.3 遠程監控設計

使用LabVIEW虛擬儀器內部自帶的Web服務器功能可以在網絡上發布程序前面板的圖像或HTML（超文本連接表示語）[5]。用戶通過登錄統一的URL地址就可以訪問服務器，并且可以通過服務器獲得控制權限對系統進行控制。Web服務支持多種瀏覽方式：①以快照的方式發布前面板。這種方式只能獲取靜態的圖像，監控數據發生變化時，要刷新界面才能獲取到改變的數據；②監視方式。Web服務器以固定時間自動刷新；③完全嵌入式發布。用戶程序以嵌入式的方式發布到服務器上，可以實時瀏覽變化信息[6]。通過LabVIEW的Web服務功能，監控人員在異地也可以通過網絡登錄到控制面板，完成對整個大棚的監控。

4 系統測試

啟動控制器電源對大棚環境進行檢測，運行上位機軟件實施對大棚的監控。將監控程序通過Web服務器發送到網絡上檢測遠程控制效果。ARM控制系統運行穩定，能夠及時發送數據和接收上位機發送的控制命令，實現自動控制的功能。本地監控系統運行情況如圖7所示。第一個波形圖顯示的是相對濕度情況，能夠實時顯示大棚內的濕度情況，濕度超過上下限值時系統及時報警。第二個波形圖代表了溫度曲線，溫度達到上限值時（低于下限值時）系統能夠及時作出反應并報警。監控者通過前面板上的控制開關，可控制大棚內的風機和加濕器工作。

在另一臺電腦上輸入URL地址，登錄到遠程控制界面查看監控情況，可以看出監控界面也實時反映出了大棚內的溫濕度情況。遠程監控機可以向服務器申請控制權，用于控制外部設備。服務器也可以設置遠程登錄機只有查看權，不允許對系統進行控制。網頁監控圖如圖8所示。

5 小結

設計了一種基于ARM控制器和LabVIEW的大棚溫濕度遠程監控系統，硬件部分包括ARM控制器及外圍擴展電路，軟件部分包括下位機軟件和上位機軟件設計。通過對系統的連續測試，系統能夠實時反映出大棚內的溫濕度情況，監控界面人機交互效果良好，便于監控人員操作。可實現對大棚的遠程監控，并廣泛應用到農業大棚生產中。

參考文獻：

[1] 余華芳，吳志東，林智濤.蔬菜溫室大棚溫濕度控制系統[J].安徽農業科學，2011，39（28）：17601-17603.

[2] 李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統設計[J].機床與液壓，2013（13）：107-108.

[3] 魏 玲，吳敬凱.農業大棚有害氣體分布式無線測控系統的設計[J].江蘇農業科學，2013，41（7）：380-382.

[4] 熊偉麗，湯斌斌，陳敏芳，等.基于LabVIEW和Web技術的水處理遠程在線監控系統[J].自動化儀表，2012，33（8）：41-44.

[5] 雷振山，趙晨光，魏 麗，等.LabVIEW 8.2基礎教程[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[6] 董翰川，郭 勇，李文杰.LabVIEW串口通信在數據采集中的應用[J].微型機與應用，2011（23）：63-64.