便攜式溫棚數據監測系統設計

孫振華 張 超* 李小強 柳忠艷

(1、中國礦業大學銀川學院,寧夏 銀川750021 2、寧夏機械研究院(有限公司),寧夏 銀川750021)

1 概述

現代的生活中，許多發展情況都對環境的溫、濕度及光照強度等參數有較嚴格的要求，因此必須在某些特定工作環境安裝報警器對環境的溫濕度數據進行管理監控和調節。為此，以溫棚的溫、濕度，CO2濃度及光照強度為背景，設計一個實時監測和調節溫、濕度，CO2濃度及光照強度的監測系統，以達到可準確快速的感知和調整環境參數的目的，而且我們可以通過實時記錄報警信息，減輕勞動者的負擔，并可廣泛應用于生活條件惡劣、人員不便進入的場合。

溫、濕度，CO2濃度及光照強度的數據采集控制具有十分廣泛的應用研究領域以及一些對溫、濕度，CO2濃度及光照強度比較敏感的工業生產現場，都需要對溫、濕度、CO2濃度及光照強度有可以準確的采集和迅速的控制。然而安裝、便攜性等問題都使得控制不那么容易，本文旨在提高溫室大棚參數分析的準確性及外觀結構優化設計的便攜性。

2 系統總體設計

2.1 系統功能設計

為了完成溫室大棚數據監測系統的設計功能，首先采集溫、濕度，CO2濃度及光照強度等參數，并通過建立的數學模型對數據進行預處理及分析，以達到對比預測和超越報警的功能。現場檢測設備須具備安裝簡單、輕巧便捷的能力，且對于檢測設備的傳感器應具有較高的靈敏度和可靠性。

2.2 系統硬件設計

便攜式溫棚數據監測系統以單片機微控制器為核心元件，通過加入溫度傳感器、濕度傳感器，CO2濃度測量傳感器及光照強度測量傳感器，將其作為數據收集元件，并引入控制系統、報警系統和液晶顯示系統，共同構成溫棚數據監測系統，系統組成如圖1所示。

圖1 溫棚數據監測系統的組成

便攜式溫棚數據監測系統中的數據采集、數據處理、數據分析、數據預測、系統控制、系統報警和系統內容顯示等過程都要通過單片機處理。其中，數據信息采集主要通過溫度傳感器、濕度傳感器，CO2濃度測量傳感器及光照強度測量傳感器來完成，當采集或輸入好的數據輸入單片機時，單片機將會通過建立好的模型對數據進行預處理，預處理完成后，將被處理結果代入本文所建立的模型進一步分析，并與正常范圍進行對比并預測結果。當得出的結果超越正常范圍時，控制系統進行反饋，報警系統開始工作，在此過程中，液晶顯示系統始終在運行。

2.3 系統軟件設計

便攜式溫棚數據監測系統的軟件設計主要由主程序和采集系統、控制系統、顯示系統、鍵盤系統、報警系統等子程序組成。為提高系統程序編寫質量和移植性，且滿足本文模塊化設計的要求，所以本文所設計的系統軟件采用C語言來編寫程序，并在Keil 4版本軟件的開發環境中進行編譯。主程序開始運行時，傳感器和液晶顯示屏幕等硬件開始初始化及子程序的開始調用，便攜式系統軟件設計程序流程圖如圖2所示。

在圖2所示流程圖中，數據信息采集與A/D轉換子程序可以根據用戶輸入相關參數對相應的模擬控制信號系統進行采樣、量化及處理，并將相應信號的數值返回主程序。報警子程序主要控制異常情況下的報警信號。如當室內環境溫度不斷升高超過設定值時，報警系統裝置會發出警報信號，同時通過點亮相應的指示燈(報警指示燈由顯示子程序來完成)，以引起勞動者及管理人員的注意。

圖2 程序流程圖

2.4 溫棚數據分析模型的建立

2.4.1 采集數據的的異常檢測

一般情況下，傳感器采取到的數據可以直接使用，為防止異常顯示，提高數據分析的準確性，本文在溫棚數據監測系統中引入了基于聚類的異常值檢測。

首先將所有樣本按照一定的聚類方法進行聚類，聚類假設為k類：C1，C2，…，CK

對于每個對象p，計算該對象到每個類之間的距離d（p，Ci）

然后計算每個對象p的異常得分

最后進行一個奇異值的標定，若OF（p）≥平均值+標準差，則為奇異值。并且取β=1.258 。

2.4.2 建立監控參數分析的數學模型

將溫度、濕度、CO2濃度和光照強度等數據作為自變量x1，x2，…，xp，則其對應的觀測值為xi1，xi2，…，xip，以及因變量y對應的觀測值yi滿足

其中，ε1，ε2，…，εn為相互獨立且呈正態分布N（0，σ2）的隨機變量。

根據最小二乘法，由n組觀測值（xi1，xi2，…，xip，yi）確定參數β0和β1，β2，…，βp的估計值b0和b1，b2，…，bp后，得到估計式

通過對所采集的溫、濕度，CO2濃度及光照強度的數據信息進行預處理后，代入（3）所建立的多元線性回歸模型中，單片機系統將會通過建立好的模型對采集的數據進行分析，與正常數值范圍進行對比并預測，最后得出的結果。該模型由多個自變量的最優組合來共同估計因變量，使運算分析結果更有效，更符合實際。

3 外觀結構設計

便攜式溫棚數據監測系統外觀結構由箱體、操作面板和伸縮支架三部分組成。箱體主要使用3D打印技術制作，采用合頁卡扣連接，結構相對簡單、輕便小巧，極大程度保護元器件。箱體展開時，方便儀器測量；箱體閉合時，體積小巧，便于攜帶。操作面板采用左右兩頁分離式設計，在操作過程中互不干擾。伸縮支架可拆卸，相互獨立，占地面積小，方便工作者安裝攜帶。外觀結構設計如圖3所示。

圖3 外觀結構設計

便攜式溫棚數據監測系統結構除手握和懸掛外，還可以用支架連接安裝，在支架上端加入自由旋轉自鎖式平臺，可以保證箱體可以自由調整角度，在自鎖之后，可以固定調整角度。在可伸縮拉桿下端加入三角穩定支架，從而極大程度可以保證箱體的穩定性。并且加入防滑腳墊和磁吸式自合機構，極大程度解放雙手。

便攜式溫棚數據監測系統外觀結構簡潔，有較高的實用性。分模塊化設計，且解決了傳統溫棚數據監控機構的體積大、安裝難的問題。進一步使溫棚數據監測系統得到真正普及，為助力現代農業發展提出了一種新的構想。

4 結論

本設計從便攜式溫棚數據監測系統入手，綜合分析其系統結構的可移植性，并通過建模和渲染實現了便攜式溫棚數據監測系統的最終設計。完成了基于單片機的溫棚數據管理監控系統的開發及對系統結構便攜性的設計。進一步使溫棚數據監測系統可以得到真正普及，為助力現代農業經濟發展提出了一種新的構想。