棉花葉面溫度采集系統的設計與測試

常國權， 馮 賀， 李亞兵

(1.安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽 455000； 2.中國農業科學院棉花研究所，河南安陽 455000)

棉花是我國重要的經濟作物之一，在紡織、國防、醫藥、汽車工業等領域具有重要的作用，對棉花進行科學、智能化生長環境監測是提高棉花產量最重要的環節之一。為研究棉花葉面溫度對棉花生長及其產量的影響，進而采取有效的控制措施，需要實時對棉花葉面溫度進行采集，并將溫度和采集時間進行存儲，農業參數采集所用的傳感器大多采用串行數字接口(serial digital interface at 1200 baud，簡稱SDI-12)總線接口，SDI-12是一種基于微處理器的傳感器接口標準，是由美國水文組織提出的一種串行數據通信接口協議[1]，為單線總線技術，由于SDI-12具有接口簡單、功耗低、可組網、傳輸距離遠、各節點獨立性強等特點，該技術在農業多參數測控、水文和氣象環境監測等領域中的應用越來越廣泛。本研究設計一種能通過SDI-12總線進行棉花葉面溫度的數據采集、存儲系統，并采用Apogee公司生產的符合SDI-12協議的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411進行數據試驗和測試，該系統可以連接符合SDI-12協議的傳感器，對參數進行采集、存儲，并可以存儲采集的時間、地點編號等信息，同時開發上位機軟件以方便進行數據的處理和對系統的管理。

1 系統總體設計

本系統主要由下位機采集系統、上位機管理軟件等2部分組成，核心是下位機采集系統的設計與實現。下位機采集系統由STC15F2K32S2單片機、Flash存儲器W25Q64、128×64點陣液晶模塊、SDI-12接口、USB轉串口接口、4×5鍵盤、DS1302時鐘及備用電池等模塊組成。下位機采集系統使用USB線供電或者和PC通信，系統采用脫機工作方式，通過USB接口和PC進行數據傳輸；Flash存儲器W25Q64用來存儲采集的溫度數據和采集時間、地點編號等信息；128×64液晶模塊用來顯示溫度、時間及其他提示信息；4×5鍵盤主要用來對系統進行設置和控制，如設置時間、啟動采集等；DS1302時鐘模塊主要為系統提供一個時間基準，并在采集溫度的同時存儲采集時間，系統斷電時由備用電池給時鐘模塊供電以維持系統時間；SDI-12接口的數據線使用的是單片機的P3.2引腳，該引腳具有中斷功能[2]，當P3.2引腳產生中斷時，在中斷服務子程序中檢測SDI-12起始信號并進行數據的接收和處理；蜂鳴器在用戶操作時可以發出聲音提示，也可以通過軟件設置關閉聲音提示。系統的總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 SDI-12接口電路設計

SDI-12傳感器和單片機的接口電路是系統設計的核心。如前文所述，SDI-12為單線總線接口，SDI-12傳感器只需要連接電源、地和數據線(data line)即可。本研究所采用的SDI-12協議傳感器是美國Apogee公司生產的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411，它具有功耗低、精度高、非接觸、工作電壓范圍(4.5～24 V)寬等優點，在植物、土壤、水流表面溫度測量方面的應用較多[3]。由于SI-411傳感器的工作電壓范圍較寬，因此可直接用5 V電壓給其供電，STC15F2K32S2單片機的P3.2引腳通過R5、C5、DZ1、R9等組成的保護電路與SDI-12傳感器接口相連，STC15F2K32S2單片機的P3.2引腳支持上升沿和下降沿中斷[4]，這給程序檢測SDI-12總線上的數據帶來了較大方便，當發送SDI-12協議命令時，P3.2引腳模擬SDI-12協議命令時序，對SDI-12傳感器返回的數據在單片機外部中斷服務子程序中進行處理；RESET按鍵可以使單片機復位，這給程序的調試和下載帶來方便。SDI-12和單片機接口電路設計如圖2所示。

2.2 系統其他接口電路設計

為輔助采集系統更好地工作，增加W25Q64存儲器、USB轉串口CH340G、128×64液晶模塊、4×5鍵盤、蜂鳴器、DS1302時鐘及備用電池等模塊。其中，W25Q64存儲器是WINBOND公司生產的64 Mb串行存儲器[5]，該存儲器工作電壓為3.3 V，需要用REG-1117穩壓芯片提供3.3 V電壓，該芯片和STC單片機采用模擬串行外設接口(serial peripheral interface，簡稱SPI)時序通信方式進行通信，因此，將STC單片機的普通IO口P2.3～P2.6直接和該芯片連接即可，但STC單片機的P2.3～P2.6接口需要配置為準雙向口模式。

CH340G是沁恒股份有限公司生產的USB轉串口芯片，該芯片可以把STC單片機的晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic，簡稱TTL)串口信號轉換為USB信號，并在PC上虛擬出1個串口，通過該USB轉接芯片可以實現系統供電、程序下載、串口通信等功能[6]。128×64液晶模塊采用SPI接口，因此STC單片機只需要5個普通IO口和該模塊連接即可[7]。限于篇幅，其他模塊的接口設計不再一一敘述。系統其他接口電路設計原理如圖3所示[8]。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括下位機軟件設計、上位機管理軟件設計，其中下位機軟件設計是系統設計的核心。下位機軟件程序在Keil開發環境下采用C語言編寫，上位機管理軟件程序采用VC++6.0編寫。

SDI-12總線技術屬于單線總線技術，即在1根數據線上進行雙向半雙工數據交換，數據線是三態的，使用負邏輯[9]。協議規定總線通信的波特率為1 200 bps，SDI-12幀格式為1位起始位，7位數據位，1位奇偶校驗位(偶校驗)和1位停止位，數據最低位先發送，其中起始位為高電平，停止位為低電平[10]。與其他通信協議標準不同，SDI-12既約定接口的電氣規范，又約定通信的內容。所有在SDI-12總線上發送的字符必須是可打印的ASCⅡ字符，SDI-12數據記錄器和傳感器在數據線上通過ASCⅡ碼進行通信。

SDI-12傳感器不工作時即進入低功耗模式，數據記錄器需要通過數據線發送break信號喚醒傳感器，1個break信號時間至少為12 ms的連續高電平，傳感器從低功耗模式中被喚醒后，數據記錄器需要再發送1個至少為8.33 ms的連續低電平marking信號，然后才能發送包含地址碼的命令。傳感器匹配地址正確并接收到正確的命令后，拉低信號線 8.33 ms 并返回數據。如果地址無效或空閑時間超過 100 ms，傳感器將返回到低功耗待機狀態[11]。SDI-12命令和響應時序如圖4所示。

如前文所述，SDI-12總線上發送的命令字符均為ASCⅡ字符，命令由若干個字符組成，第1個字符通常為傳感器的地址，最后1個字符均為“!”，表示命令結束。而傳感器返回的數據最后2個字節總為0x0D、0x0A，即回車和換行。在數據記錄器發送命令之前，首先將STC單片機的P3.2引腳配置為準雙向口模式，此時單片機控制SDI-12總線，由圖4可知，單片機先拉高總線至少12 ms，再拉低總線至少8.33 ms，之后就發送SDI-12命令字符。由于SDI-12協議規定的波特率為1 200 bps，故發送每1位占用的時間為(1÷1200)s，約為833 μs，若單片機給傳感器發送字符“1”，即二進制數00110001，則單片機控制P3.2引腳產生的時序如圖5所示。注意，SDI-12的時序為負邏輯，最低有效位先發送，EP(even parity)為偶校驗位。STC單片機控制P3.2引腳發送1個命令字符的流程如圖6所示。

當單片機接收傳感器返回的數據時，采用的是中斷方式。首先配置P3.2引腳為上升沿和下降沿均可觸發中斷，若在中斷服務子程序中檢測到的P3.2為高電平時，說明接收到了起始位(START)，為保證單片機在總線上采樣時總線處于穩定狀態，在中斷檢測到的每個起始位后，在833 μs延時的基礎上再增加一定的延時時間(200～350 μs)，這樣就能保證在檢測后面的數據位時，833 μs的延時一定能處在數據穩定的狀態。1個循環接收8個數據位(包括校驗位)，1個字節接收完成之后需要對各位取反并去掉校驗位，當接收到0x0D、0x0A等2個字節后，表明傳感器返回的數據結束，置接收完成標志為1，并在主程序中對數據進行存儲、顯示等處理。STC單片機控制P3.2引腳接收1個數據字符的流程如圖7所示。

PC管理軟件是使用VC++6.0開發的，使用了串口類編程技術[12]。PC管理軟件的主要作用是把采集器存儲的數據轉換成一定格式并導出到Excel中，以方便對數據進行分析和處理。PC管理軟件主要通過串口和采集器進行通信，采用API編程，上位機首先發送提取記錄命令，下位機收到命令后，1次讀取16條記錄(每條記錄包括采集時間、測試目標溫度、表體溫度和采集位置編號)，再按照一定的協議進行封裝后發給上位機，然后等待上位機返回的握手命令，上位機對接收到的數據校驗無誤后進行轉換處理并顯示在列表框中，再次發送握手命令給下位機，下位機接收到命令后重復以上步驟，直到存儲的數據提取完畢。上位機管理軟件的界面如圖8所示。

4 系統測試

為驗證采集系統的穩定性和可靠性，使用SI-411溫度傳感器、 邏輯分析儀配合上位機管理軟件對系統進行測試和驗證。采集系統發送“?R3!”指令給SI-411時，邏輯分析儀捕捉到的波形如圖9所示，可以看出，break信號約為 12.494 ms，marking信號約為9.162 ms，起始位及數據位寬度約為0.835 ms，符合協議要求。SI-411傳感器返回的部分數據波形如圖10所示，起始位及數據位寬度約為0.849 ms，圖中標注①的寬度約為4.28 ms，共包含5個1，其中第1個為起始位；標注②的寬度約為1.7 ms，包含2個0；標注③的寬度約為1.7 ms，包含2個1；標注④的寬度約為0.849 ms，包含1個0，該位為停止位，去掉起始位和停止位，剩余的數據位為11110011，去掉最后1個校驗位1，并取反后得到0000110，根據低位在前原則，該數的十進制為48，即為字符“0”的ASCⅡ碼，按照同樣的分析方法，可以得到SI-411傳感器返回的數據為0 +29.88385+27.56718，其中“0”為傳感器地址，“+”后面依次為采集的目標溫度和外殼溫度。液晶顯示采集到的溫度如圖11所示。

5 結論

以STC15F2K32S2單片機為核心，并擴展SDI-12傳感器接口、W25Q64存儲器模塊、128×64液晶模塊、USB轉串口接口、4×5鍵盤、DS1302時鐘等外圍模塊設計的棉花葉面溫度采集系統可以對棉花葉面溫度和時間進行采集并存儲，支持手動采集、定時自動采集、數據導出等功能，同時該系統又具有一定的通用性，可以用在其他農作物、水文和氣象環境溫度監測等領域中。經過多次測試、改進后，已在中國農業科學院棉花研究所小批量投入使用，經使用證明，該采集系統穩定可靠、操作簡單、管理方便，取得了較好的使用效果。

[1]胡軼群，邱文博，李冠宇，等. 基于SDI-12總線的海洋環境監測數據采集技術的初探[J]. 海洋信息，2016(4)：19-23.

[2]徐先峰，魏 文，李常磊，等. 基于STC系列單片機的智能工業現場顯示儀設計[J]. 電子器件，2013，36(5)：728-730.

[3]Apogee Instruments Inc. Infrared radiometers SI-400 series manual[DB/OL]. (2016-05-20)[2017-03-18].http：//www. apogeeinstruments.com.

[4]宏晶科技有限公司. STC15全系列中文資料[DB/OL]. (2015-06-29)[2017-03-18].http：//www.stcmcu.com/.

[5]Winbond Electronics Corporation. W25Q64 64M-bit serial flash memory with dual and duad SPI[DB/OL]. (2015-07-18)[2017-03-18].http：//www.winbond.com.

[6]江蘇沁恒股份有限公司. CH340手冊[DB/OL]. (2016-09-12)[2017-03-18].http：//www.wch.cn.

[7]朱嶸濤，徐愛鈞，葉傳濤. STC15單片機和nRF2401的無線門禁系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2014(6)：57-60.

[8]顧 濱. Protel99SE實用教程[M]. 4版. 北京：人民郵電出版社，2015：55-60.

[9]董存輝. 基于SDI-12總線的生態水文數據采集系統的設計與實現[D]. 蘭州：西北師范大學，2013.

[10]劉 圖，馮能操，朱儒石. 基于SDI-12接口水位計的短消息水位查詢系統[J]. 黑龍江水專學報，2010，37(1)：84-86.

[11]SDI-12 Support Group. SDI-12 a serial-digital interface standard for microprocessor-based sensors(Version 1.3)[DB/OL]. (2016-01-28)[2017-03-18].http：//www.sdi-12.org/.

[12]孫 鑫，余安萍. VC++深入詳解[M]. 北京：電子工業出版社，2012：219-225.