基于DSP蔬菜大棚環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

朱高中

(渭南師范學院 數(shù)理學院，陜西 渭南 714099)

基于DSP蔬菜大棚環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究

朱高中

(渭南師范學院 數(shù)理學院，陜西 渭南 714099)

設計了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)和WiFi技術相結合的大棚溫室環(huán)境遠程檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320LF2407為控制核心芯片，基于WiFi技術進行通信，實現(xiàn)了多路環(huán)境監(jiān)測的功能。系統(tǒng)主要由傳感器采集模塊、DSP信號處理模塊、WiFi通信模塊和PC等組成，通過各種類型的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳給DSP控制器進行閾值的判斷，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過WiFi和無線傳輸網絡傳送給上位機，由上位機做出及時的處理，實現(xiàn)人機交互遠程控制的目的，成功實現(xiàn)大棚環(huán)境遠程監(jiān)測的研究。實驗結果表明，該大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)精確，具有良好的應用價值和推廣前景。

監(jiān)控；溫濕度；光照強度；無線傳輸網絡

0 引 言

隨著科學技術的發(fā)展和社會的不斷進步，現(xiàn)代化農業(yè)應用技術越來越受到人們的重視。就目前的農業(yè)發(fā)展而言，溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控已成為現(xiàn)代農業(yè)的一個重要組成部分。

農業(yè)生產環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控主要是空氣的二氧化碳含量濕度、溫度以及土壤的含水量等參數(shù)，傳統(tǒng)的農業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測和控制方式都是采用人工管理方式，這種方式具有成本高、浪費人力、檢測效果不理想等缺點。

為了提高農業(yè)生產效率、減少人力資源浪費，結合現(xiàn)代農業(yè)特點以及城郊農戶的農業(yè)需求[1-2]，文中設計了一種價位低廉的環(huán)境參數(shù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器技術、無線發(fā)射接收技術和DSP技術三者結合的方式，由上位機和下位機構成，實現(xiàn)溫室大棚遠程自動化控制。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

基于DSP的大棚環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場機系統(tǒng)、無線網絡傳輸環(huán)節(jié)和上位機三個部分組成[3-5]。該系統(tǒng)主要是由各種類型的傳感器采集環(huán)境參數(shù)經DSP處理后，通過無線傳輸網絡送給上位機系統(tǒng)，由上位機發(fā)出指令進行處理，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測的目的。現(xiàn)場機系統(tǒng)中的監(jiān)測儀器包括測量溫度、濕度、光照以及二氧化碳含量的測量儀器。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件電路的設計

為了能夠對植物的生長進行合理的控制，文中設計了基于DSP蔬菜大棚環(huán)境遠程監(jiān)測的控制系統(tǒng)[6-7]。該系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)的采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號等多種功能，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)調理、DSP控制中心、無線傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)總體硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體設計結構圖

從整體結構框圖可以看出，該硬件電路包括溫室大棚環(huán)境參數(shù)采集部分、液晶顯示部分、鍵盤控制電路、繼電器執(zhí)行電路、報警電路和無線發(fā)射和接收電路等。其工作原理是首先由各種類型傳感器采集環(huán)境信號送DSP后經無線路由器送到上位機，把傳輸過來的信號和預設信號閾值進行比較判斷，然后由上位機發(fā)出執(zhí)行命令經DSP控制繼電器執(zhí)行電路，液晶顯示電路顯示環(huán)境參數(shù)檢測數(shù)值，環(huán)境參數(shù)閾值可以通過鍵盤控制電路設定。當所測環(huán)境參數(shù)值超出預設閾值時，報警電路發(fā)出報警信號[8]。

2.1 溫度檢測電路

AD590溫度感測器是一種已經IC化的溫度感測器，它會將溫度轉換為電流。其規(guī)格如下：溫度每增加1 ℃，它會增加1 μA輸出電流。可量測范圍為-55 ℃～150 ℃。AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)[9-10]，根據(jù)AD590的特性得出溫度檢測電路，如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

由圖3可知，該電路包括兩個運算放大器，這兩個放大器所起的作用分別是跟隨和放大，最終采集的信號電壓和溫度之間的關系式為：V=T/20。

2.2 光強檢測模塊

大棚作物進行光合作用與光照條件有著密切的關系，作物在白天進行光合作用，吸收二氧化碳，在黑夜作物進行有氧呼吸放出二氧化碳，在陰天光照條件很弱，作物的光合作用極其微弱，無需人工補充二氧化碳[11]。文中采用光敏電阻來制作光強檢測模塊，光敏電阻對光線非常敏感，在有光和無光的狀態(tài)下，其電阻變化非常大。無光時，阻值大，有光時，阻值迅速減小。在同樣之電壓下，照度愈強，光電流愈大，亦即電阻愈小，利用光敏電阻可以判斷黑夜、白天和陰天三種狀態(tài)。所以利用光敏電阻不僅經濟，而且電路設計也非常簡單。在設計上用一個與光敏電阻的暗電阻(無光照條件下電阻)相等的電阻串聯(lián)，檢測其分壓量，然后經過放大處理，送入A/D轉化器轉化為數(shù)字量送入DSP處理器。

2.3 二氧化碳濃度傳感器

CO2濃度檢測電路所用的傳感器是TGS4160，該傳感器將采集的濃度模擬信號送入A/D轉化器轉化為數(shù)字信號后送入DSP處理。TGS4160傳感器的工作原理是，當此傳感器檢測空氣中二氧化碳氣體時，就會發(fā)生化學上的電化學反應，方程式如下[12-13]：

Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2

根據(jù)電化學反應方程式，將氣體信號轉換為電壓信號，此電壓信號方程為：

EMF=Ec-(RF)/2Fln(PCO2)

其中，Ec為常數(shù)；PCO2為CO2分壓部分；R為氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)。

將對應的絕對電勢值轉換到傳感器兩極之間變化的電勢值,然后再放大。可以采用2級運算放大電路實現(xiàn)[14]。

2.4 執(zhí)行機構電路

該系統(tǒng)通過DSP控制固態(tài)繼電器來執(zhí)行對噴淋、加熱器、風扇開關以及二氧化碳容器電磁閥等的控制。執(zhí)行電路圖如圖4所示。

圖4 執(zhí)行機構電路

其具體的工作過程如下：當DSP控制引腳輸出低電平信號時，經驅動器加到光電耦合器的輸入端，當光耦合器的電壓超過3 V時，就會產生光電信號，光電轉換為電信號后執(zhí)行噴淋、加熱器、風扇開關以及二氧化碳容器電磁閥等的控制。執(zhí)行控制電路工作后，當DSP檢測到環(huán)境參數(shù)已經在期望值的范圍內時，DSP就發(fā)出高電平信號，停止執(zhí)行相關機構的運行。

2.5 基于WiFi技術的無線傳輸模塊

無線傳輸網絡承擔了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流通工作。文中設計采用基于WiFi技術的無線傳輸網絡，WiFi技術具備傳輸速率高、傳輸距離遠、覆蓋范圍廣等特點。在該設計中，考慮了設計范圍，所以只需建立一個WiFi熱點就可以達到設計要求。在此無線傳輸系統(tǒng)模塊中，上位機的作用是對接收的數(shù)據(jù)進行匯總，然后根據(jù)所設閾值進行分析，并根據(jù)分析的結果進行處理。當上位機收到數(shù)據(jù)不在預設閾值范圍內時，上位機就會向現(xiàn)場機發(fā)送不同執(zhí)行命令，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場機的遠程控制作用。另外上位機系統(tǒng)還建有一個完整的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以隨機調用不同時刻的檢測信號，做到實時檢測環(huán)境參數(shù)的目的。

3 系統(tǒng)軟件的設計

3.1 系統(tǒng)主程序的設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。該系統(tǒng)控制核心是DSP TMS320LF2407，從圖中可以看出整個系統(tǒng)軟件由三大部分組成：

(1)數(shù)據(jù)的采集軟件，包括系統(tǒng)的初始化、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)存儲。

(2)信號處理和控制軟件，包括信號比較分析，決策控制信息傳輸。

(3)問題的解決處理，通過比較對超過閾值的參數(shù)進行調節(jié)。

其工作原理是：系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后數(shù)字信號處理器進入監(jiān)控工作狀態(tài)，如果在沒有外部控制信息輸入信號的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)會自動調節(jié)溫室大棚各種環(huán)境參數(shù)，通過和所設置的上下限閾值對比判斷是否超出閾值，對超出閾值的參數(shù)進行報警并及時處理。

圖5 系統(tǒng)的主程序流程圖

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w過程

現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測部分主要是對上位機所發(fā)出的消息進行分析，并根據(jù)現(xiàn)場控制網絡進行數(shù)據(jù)傳輸，生成儀器可以識別的消息幀，并發(fā)送給儀器。現(xiàn)場機在讀取多個儀器的數(shù)據(jù)時，按照各種類型傳感器采集的數(shù)據(jù)逐一進行掃描直至全部數(shù)據(jù)掃描完成，然后再進行下一輪的掃描，直到完成所有的參數(shù)指令。圖6為現(xiàn)場機數(shù)據(jù)通信的流程圖。

圖6 現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結束語

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計將WiFi和DSP兩者相結合的方法應用于大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以PC機為上位機、TMS320LF2407 DSP為下位機完成對測試數(shù)據(jù)的各種功能處理。文中對系統(tǒng)硬件進行了設計，給出TMS320LF2407為控制中心的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)電路，該系統(tǒng)監(jiān)測包括溫濕度監(jiān)測、光照強度監(jiān)測及CO2濃度監(jiān)測，通過將溫濕度傳感器、光照傳感器及CO2濃度采集數(shù)據(jù)信息送入到DSP中心處理器與所設上下限閾值進行監(jiān)測處理，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過WiFi和無線傳輸網絡傳送給上位機，由上位機做出及時處理。經過電路的測試和軟件調試表明，該系統(tǒng)的硬件結構簡單、測量精度高，自動化、智能化較好，能夠實現(xiàn)大棚環(huán)境的遠程監(jiān)測。

[1] 盧麗君.基于TLC1543的單片機多路采樣監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2007(4):5-6.

[2] 劉豐年.氣體傳感器測試系統(tǒng)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2003.

[3] McCammon K.Alcohol-related motor vehicle crashes:deterrence and intervention[J].Annals of Emergency Medicine,2001,38(14):415-422.

[4] Dass M,Cannady J,Walter D.Potter:LIDS learning intrusion detection system[C]//Proc of FLAIRS.[s.l.]:[s.n.],2003:12-16.

[5] 梁發(fā)強，曾志專，梁辛征.現(xiàn)代溫室的單片機控制系統(tǒng)[J].湖南工業(yè)大學學報，2007，21(6)：64-66.

[6] 裴清華.基于AT89C51單片機的蔬菜大棚控制系統(tǒng)[J].計算機與現(xiàn)代化，2010(1)：4-6.

[7] 鐘曉偉，宋蟄存.基于單片機的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)設計[J].林業(yè)機械與木工設備，2010,38(1)：39-42.

[8] Morais R，F(xiàn)ernandes M A，Matos S G，et al．A ZigBee multi- powered wireless acquisition device for remote sensing application in precision agriculture[J]．Computers and Electronics in Agriculture，2008,62:94-106．

[9] 劉媛媛，朱 路，黃德昌．基于GPRS與無線傳感器網絡的農田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]．農機化研究，2013,35(7):229-232．

[10] 孟志軍,趙春江,王 秀,等.基于GPS的農田多源信息采集系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]．農業(yè)工程學報，2003,19(4):13-18.

[11] Chen Yunxia，Chuah Chen-nee，Zhao Qing．Network configuration for optimal utilization efficiency of wireless sensor networks[J].Computer Networks，2002，38(4):393-422．

[12] Hossain A，Radhika T，Chakrabarti S，et al．An approach to increase the lifetime of a linear array of wireless sensor nodes[J].International Journal of Wireless Information Networks,2008,15(2):72-81．

[13] Leea W S，Alchanatis V，Yang C，et al．Sensing technologies for precision specialty crop production[J]．Computers and Electronics in Agriculture，2010,74(1):2-33．

[14] Cihan S，Emine D B．Development of remote control and monitoring of web- based distributed OPC system[J]．Computer Standards & Interfaces，2009,31(5):984-993．

Research on Remote Monitoring System of Vegetable Greenhouse Environment Based on DSP

ZHU Gao-zhong

(School of Physics and Electrical Engineering,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)

A remote detection system of greenhouse environment based on DSP and WiFi is designed.It takes TMS320LF2407 as the core control chip and completes the communication based on the WiFi technology,which can realize multi-channel environment monitoring function.The system consists of sensor module,DSP module,WiFi communication module and PC and so on.Through various types of sensors,the collected data is transmitted to the DSP controller for threshold judgment,and monitoring data is transferred to the host machine through WiFi and wireless transmission network.The PC makes timely processing,achieving the purpose of man-machine interaction and remote control,successful realization of greenhouse environment remote study on monitoring.The experiment shows that the performance of greenhouse environment monitoring system is stable and reliable with accurate data,and has good application value and extension prospects.

monitoring;temperature and humidity;light intensity;wireless transmission network

2015-03-19

2015-08-21

時間：2016-07-29

陜西省教育廳科學研究項目(12JK0514)；渭南師范學院校級科研項目(16YKP009)；渭南師范學院特色學科重大建設項目(14TSXK07)

朱高中(1980-)，男，碩士，講師，研究方向為信號處理、電子技術。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160729.1833.008.html

TP302

A

1673-629X(2016)08-0187-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.08.040