蔬菜大棚分布式多點溫度監控系統的設計

馮榮華，王　強，葉大鵬，謝藝鑫

(福建農林大學 機電工程學院，福建 福州　350002)

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蔬菜大棚分布式多點溫度監控系統的設計

馮榮華，王強，葉大鵬，謝藝鑫

(福建農林大學 機電工程學院，福建 福州350002)

針對蔬菜大棚的管理效率低、管理費用高等問題，設計了分布式多點溫度智能監控系統。本系統有效結合無線通信技術、傳感器技術、上位機技術，實現了蔬菜大棚溫度參數進行多點全方位采集，且具有溫度超過閾值、電壓不足時自動報警的功能。經過實驗表明，該系統工作穩定、監測實時性強、檢測精度高(可達到97.55%)，可適用于蔬菜大棚中的環境參數監測。

蔬菜大棚；分布式多點；監控系統

隨著社會經濟的不斷發展，生活水平的不斷提高，人們對蔬菜的需求量也不斷增長，因而促進了蔬菜溫室大棚的發展。[1]溫室大棚在培育農作物具有受外界環境干擾小、適用范圍廣和抗災能力強等特點，[2]但是農作物的生長期間，溫室大棚中溫度參數直接影響蔬菜產量，[3-5]所以對溫室大棚管理過程中的對溫度參數的實時監控是很有必要的。傳統的蔬菜大棚管理中，溫度參數的監測主要靠人工來進行監測，人工監測存在很多不足，如監測實時性差，檢測設備昂貴，檢測的范圍不夠全面。[6]

基于這些基本思想，本文設計了一種蔬菜大棚中遠程智能監控系統。主要是利用單片機作為系統核心控制器，DS18B20作為檢測溫度的傳感器并利用其單總線數據通信協議的優勢實現單線多點溫度采集，液晶顯示屏將采集的數據進行顯示，無線射頻收發模塊作為無線通信實現溫室中分布式多點數據采集，RS485作為上、下位機通信的橋梁。系統的上位機是利用Qt軟件實現的，能夠將采集的數據進行顯示、處理、存儲以及溫度超過閾值時進行報警等功能。大量實驗證明，該系統工作能夠實現對溫室大棚的環境參數進行全方位的監測，而且操作方便、監測實時性好、工作穩定、性價比高、可擴展性強。該系統可適用于農業環境監測當中，提高了能農業管理的智能化和現代。

1系統總體設計

本系統包括上位機和下位機兩個部分，系統的結構總框圖(如圖1所示)，其中下位機主要采集環境的溫度參數采集、節點電壓采集和數據的顯示功能。溫度參數的采集過程中采用單總線DS18B20傳感器進行組網實現，即一條信號線上連接多個傳感器，節約了單片機的I/O資源，提高環境采集數據的準確性；利用無線射頻收發模塊組成無線傳感器網絡，克服了傳統蔬菜大棚中數據通信只采用有線的方式進行傳送的局限性，能夠實現全方位多點溫度參數檢測。上位機是由QT軟件編程實現，主要負責將下位機傳送的數據進顯示、設定正常溫度的閾值，歷史數據的存儲、查詢和比較等功能。

圖1　系統的結構總框圖

2系統硬件設計

本系統設計過程單片機控制器采用的是增強型51單片機STC12C5A60S2，其外圍電路的設計主要包括電源模塊、溫度傳感器網絡模塊、無線射頻收發模塊、報警模塊和RS485通信模塊。

2.1電源模塊設計。

系統電源設計的優劣直接影響系統的工作穩定性，本系統所用到的電源有直流電壓3.3V和5V，其中3.3V主要是給無線射頻收發模塊供電，5V電壓是給單片機，顯示模塊等供電。基于這些要求，電源分別采用LM7805和LM1117-3.3低壓差三端穩壓芯片將電壓穩定在5V和3.3V，該電源模塊輸出電壓穩定、抗干擾能力強，且開發費用便宜。系統電源模塊硬件設計原理圖(如圖2所示)。

圖2　系統穩壓電壓模塊

2.2具體設計。

2.2.1溫度傳感器網絡設計。

本系統采用美國DALLAS推出的全新數字式DS18B20溫度傳感器，每一個傳感器出廠時帶有唯一標識的序列號，進行溫度讀取的時候要先讀取其序列號。該傳感器采用“單總線”的通信協議與單片機之間進行通信，可以實現單線多點組網功能，僅僅利用單片機的一個I/O口就能夠讀取多個傳感器的溫度值，同時可傳送CRC校驗碼，具有很強的抗干擾能力。該傳感器采集溫度的范圍廣，溫度范圍為-55°C到+125°C，在-10°C到85°C時采集精度為0.5度，[7-8]本文利用DS18B20測溫的過程中采用單線多點組網的方式進行實現，其傳感器網絡硬件連接圖(如圖3所示)。

圖3　單總線傳感器網絡連接圖

2.2.2無線射頻收發模塊設計。

本文無線通信模塊采用的nRF24L01無線射頻收發模塊，它是挪威Nordic公司出品的一款高速、低功耗、低成本無線模塊。該無線收發芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz全球免費的(ISM)頻率。該模塊與單片機之間通過3線SPI接口進行雙向通信，其發射功率和工作頻率等工作參數可以很容易通過SPI端口完成。它具有極低的電流消耗，在-5dBm的輸出功率時僅為10.5mA，在接收模式時僅為18mA,適用于農業信息采集低功耗的應用。它與單片機之間的硬件連接圖(如圖4所示)。

圖4　無線射頻模塊

2.2.3 RS485通訊模塊設計。

本系統設計過程當中下位機與上位機的通信利用RS485模塊進行。RS485通信操作過程和RS232類似，但是相比較而言RS485具有諸多有點，它在數據傳送過程中，抗干擾能力強、傳送距離遠理論上最長距離可以達到1200米，而且方便進行組網。[9]然而PC機只帶有RS232接口，本系統在設計的過程中通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號實現與下位機的通信。RS232與RS485串口電平轉換連接圖(如圖5所示)。

圖5　RS485電平轉換部分原理圖

3軟件設計

3.1主節點程序框架(如圖6所示)。

圖6　系統軟件流程圖

3.2數據滑動平均處理。

本系統數據處理過程采用滑動平均的方式進行可以增加數據的可靠性和穩定性，其軟件流程圖(如圖7所示)。

圖7　滑動平均程序流程圖

3.3 RS485通信模塊設計。

上位機和下位機之間采用RS485串口通信，其成宿流程圖(如圖8所示)。

圖8　串口程序流程圖

3.4上位機程序設計。

本系統采用c++語言基于Qt Creator軟件編寫上位機軟件。上位機軟件能夠實時的和下位機軟件之間進行通信，并且將指定傳感器的溫度值顯示在上位機所對應的指定位置。Qt Creator是一款強大制作上位機的軟件，它能夠在windows平臺上很簡單的開發出界面美觀的上位機。系統中用到了串口方面的類有win_qextserialpo和qextserialbase這兩個類，然后自己封裝了一個讀取串口的函數，通過信號與槽機制觸發上位機接收來自下位機的數據。本系統設計的上位機界面(如圖9所示)。

圖9　上位機界面

4試驗分析與結論

4.1數據的校驗。

在傳感器檢測領域當中，數據檢測精度的高低，直接影響了整個系統的穩定性。本系統采用高精度水銀溫度度計，對檢測的數據進行校驗。無線傳感器節點每20分鐘進行一次數據采集，經過6個小時的校驗，檢測的誤差小于2.45%,結果(如圖10所示)。

圖10　數據校驗圖

4.2系統的性能測試圖。

本系統性能測試過程中，讓傳感器節點每20分鐘進行一次數據的采集。(如圖11所示)分別采集節點1，節點2，節點3這三個節點上單總線傳感器網絡中各傳感器采集數據的平均值。

圖11　節點的性能測試圖

5結論

本文設計了一套面向蔬菜溫室大棚的溫度監控系統，系統主要由上位機和下位機組成，實現了對大棚溫度全方位的檢測。經實驗表明，該系統工作穩定、檢測精度高(可以達到97.55%)、開發成本低。本系統也可在類似的農業信息采集方面進行推廣，增加了各類傳感器對環境各項參數的采集，結合互聯網技術實現遠程監控。

[1]梁萬用,謝澤會,王延峰. 基于ZigBee的蔬菜大棚監控系統設計[J].安徽農業科學,2009(25):12187-12188+12190.

[2]韓力英,楊宜菩,王楊,唐紅梅,牛新環. 基于單片機的溫室大棚智能監控系統設計[J].中國農機化學報,2016(1):65-68+72.

[3]劉海洋,王慧,陳智,宣傳忠. 溫室環境信息實時監測與控制系統的設計[J].農機化研究,2014(4):65-69.

[4]劉力,鮑安紅,曹樹星,胡秀芝. 溫室大棚內環境自動化控制方案設計[J].農機化研究,2013(1):90-93.

[5]孔國利,席紅旗. 蔬菜大棚溫濕度和土壤水分自動智能管理系統[J]. 農機化研究,2015(8):184-188.

[6]李耀,許朋,劉木華,洪茜,彭義杰,趙進輝. 大棚中無線遠程監控系統的設計[J]. 中國農機化學報,2016(2):85-87+92.

[7]湯鍇杰,栗燦,王迪,張琴. 基于DS18B20的數字式溫度采集報警系統設計[J]. 傳感器與微系統,2014(3):99-102.

[8]陳彩蓉,胡飛. 基于DS18B20的溫室溫度控制系統設計[J]. 安徽農業科學,2009(36):7870-7871+7901.

[9]盧嫚. 基于RS-485總線的溫室多點監測系統設計與實現[D].西北農林科技大學,2013.

Class No.:TP274Document Mark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

Design of Distributed Multi-point Temperature Monitoring System in Vegetable Greenhouses

Feng Ronghua,Wang Qiang,Ye Dapeng,Xie Yixin

(School of Mechanical& Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002，China)

Considering problems of low management efficiency and high administration cost in vegetable greenhouse, a distributed multi-point temperature intelligent monitoring system was designed. This system could realize the goal of multi-point and comprehensive information acquisition, automatic alarm when temperature runs above the threshold or in low voltage state by combining the wireless communication technology with the sensor and upper monitor technology . The result shows that this system is suitable for the environment parameters monitoring in greenhouse with the features of stable operation, strong real-time performance and high inspection accuracy (97.55%).

vegetable greenhouses; distributed multi-point; monitoring system

馮榮華，在讀碩士，福建農林大學機電工程學院。

葉大鵬，博士，教授，碩士生導師，福建農林大學機電工程學院。研究方向：環境監測與控制。

福建省科技重大專項(2014NZ0002-1 )；福建省高水平大學建設重點項目(612014017)。

1672-6758(2016)09-0050-4

TP274

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